СОНЦЕ

Уночі на небі спалахують міріади зір. І лише одну зорю ми бачимо вдень. І ця зоря — Сонце. Ще в далекій давнині люди розуміли, що без Сонця не було б життя на Землі, тому й називали його: стародавні греки — богом Геліосом, римляни — променистим Аполлоном або Фебом, а наші предки слов’яни — Ярилом

ВИ НАВЧИТЕСЯ

Називати фізичні параметри Сонця.

Пояснювати внутрішню будову Сонця та його атмосфери.

Характеризувати Сонце як зорю, джерела енергії Сонця; склад сонячного випромінювання; активні процеси на Сонці (сонячні плями, факели, спалахи).

Уміти пояснювати механізм поширення енергії, видимий рух Сонця.

Виявляти результати впливу сонячної активності на життя та здоров’я людей, біосферу Землі, на техногенні, атмосферні та кліматичні процеси на Землі.

Оцінювати Сонце як головний космічний чинник, від якого залежить життя на Землі.

Дотримуватися правил спостереження за Сонцем.

ЗОРЯ НА ЙМЕННЯ СОНЦЕ

Під час вивчення Сонця — найближчої до нас, і тому найдоступнішої для дослідження зорі, можна дізнатися про зорі в цілому, адже попри велике їхнє розмаїття в більшості з них загальні властивості однакові.

Наше світило, як і більшість зір, — багатошарова неймовірно гаряча плазмо-газова куля. Науковці стверджують, що Сонце існує вже близько 5 млрд років. Що ж забезпечує його існування? І чи може Сонце світити вічно?

За останні 150 років було висунуто багато гіпотез щодо природи джерел енергії Сонця та зір. Зрештою було з’ясовано, що реальне значення мають лише такі джерела, як гравітаційне стискання та термоядерний синтез (мал. 7.1).

Видатний астрофізик Йосип Самуїлович Шкловський (1916—1985, Україна) так висловився з цього приводу: «. Історія існування будь-якої зорі — це справді титанічна боротьба між силою гравітації, яка намагається її необмежено стиснути, та силою газового тиску, що намагається її «розпорошити», розсіяти в навколишньому міжзоряному просторі. Мільйони й мільйони років триває ця «боротьба». Упродовж цих років сили рівні. Та врешті-решт перемога буде за гравітацією. Така драма еволюції кожної зорі». Тож і наше Сонце не вічне. Однак нам немає чого хвилюватися, адже за оцінками вчених воно світитиме ще мільярди років.

Розгляньмо фізичні параметри Сонця (табл. 7.1.) порівняно із земними.

≈ 330 000 земних мас а у 750 разів перевищує масу всіх інших планет, разом узятих

Мал. 7.1. «Боротьба» двох сил: гравітації та тиску газів

Зверніть увагу на середню густину Сонця — 1409 кг/м3. Це значення сумірне з густиною води Мертвого моря й у тисячу разів більше за густину повітря біля поверхні Землі. Таке середнє значення зумовлено тим, що в зовнішніх шарах Сонця густина в мільйони разів менша, а в центрі — у 100 разів більша, ніж середня густина. Речовина Сонця дуже йонізована, тобто атоми втратили свої зовнішні електрони й разом з ними стали вільними частинками йонізованого газу — плазми.

Сонце складається з Гідрогену (~73 % маси і ~92 % об’єму), Гелію (~25 % маси та ~7 % об’єму) та інших елементів з меншою концентрацією (менше 2 % маси) — Феруму, Нікелю, Оксигену, Нітрогену, Силіцію, Сульфуру, Магнію, Карбону, Неону, Кальцію та Хрому. Хімічний склад визначено з аналізу сонячного спектра. Перші ґрунтовні дослідження спектра Сонця здійснив у 1815 р. фізик-оптик Йозеф фон Фраунгофер (1787—1826, Німеччина), який описав у спектрі Сонця понад 570 окремих темних ліній (мал. 7.2, а). У 1857 р. фізики Густав Роберт Кірхгоф (1824—1887, Німеччина) і Роберт Вільгельм Бунзен (1811—1899, Німеччина) (мал. 7.2, б) порівняли довжини хвиль фраунгоферових ліній з досліджуваними в земних лабораторіях довжинами хвиль, що їх випромінюють (і поглинають) відомі хімічні елементи. Так було ототожнено близько десяти елементів.

Мал. 7.2. Дослідники спектра Сонця: а — Й. Фраунгофер; б — Г. Кірхгоф і Р Бунзен

Справжнім тріумфом астрофізики стало відкриття нового хімічного елемента — Гелію. Під час спостереження повного сонячного затемнення в 1868 р., англійський астроном Джозеф Лок’єр (1836—1920, Велика Британія) і незалежно від нього французький учений П’єр Жансен (1824—1907, Франція) виявили в спектрі Сонця яскраву жовту лінію поблизу лінії Натрію. Невідомий елемент, якому належала ця лінія, назвали Гелієм, що означало «сонячний». І лише в 1895 р. Гелій було виявлено на Землі під час досліджень спектрів певних мінералів.

Загалом у спектрі Сонця виявлено лінії 72 хімічних елементів і визначено їхню відносну кількість.

Хто називав сонце Геліосом

Геліос (Гелій) (за грецькою міфологією) — Бог Сонця. Син Титанів Гіперіона і Феї за Гесіодом і Апполодором, брат Селени і Еос. Відноситься до прадавніх доолімпійських Богів. Оскільки Геліос знаходиться над усіма, високо в піднебессі, то бачить усі діяння людей і Богів. За злочини може карати сліпотою, його закликають в свідки і месники. Він повідомив Деметру, що Персефону викрав Аїд. Коли супутники Одіссея посягнули на його білосніжних корів (у традиційному перекладі — биків), що пасуться на міфічному острові Трінакрія, на прохання Геліоса, Зевс розбив їх корабель блискавкою. Геліос мешкає у прекрасному палаці в оточенні чотирьох пір року, сидить на престолі із коштовних каменів (Овідій). Геліос пробуджувався з криком півня, що вважався його священним птахом, і супроводжуваний своєю донькою Еос, Богинею уранішньої зорі, сідав на вогнянну колісницю. Щодня він прокладав дорогу від свого блискучого палацу на сході до не менш прекрасного палацу на заході. У його колісницю були запряжено чотири білосніжні огнедишні коні — Світло, Блиск, Грім, Блискавка. В кінці дня Геліос розпрягав їх і відпускав пастися на Островах блаженства. Згодом вночі він перепливав по океану в золотій чаші, зробленою Гефестом, до східного житла (Стесіхор).
Проте не завжди Геліосу вдавалось дотримуватись цього строгого розкладу. Одного дня за наказом Зевса він три дні не покидав свого палацу і три доби над землею не підіймалось сонце. Стільки тривала шлюбна ніч Зевса і Алкмени, в яку був зачатий Геракл. Іншим разом, на півдорозі Геліоса по піднебессю Зевс наказав йому обернути назад свою колісницю, аби допомогти Атрею зійти на трон в Мікенах. Зазвичай Геліоса змальовували таким, що їде в колісниці з променями сонця над головою. У гомерівських гімнах Геліос з’являється в сліпучому сяянні, із страшними очима, що горять, в золотому шоломі. Знаходячись високо в піднебессі він щодня бачив все, що відбувається на землі, знав усі справи людей і Богів. Його часто закликали в свідки не лише смертні, але і Боги. Так Деметра і Геката призвали його засвідчити, що Персефону викрав Аїд.
Інколи Геліос сам розповідав Богам про непристойні вчинки інших. Він доніс Гефесту про зраду його дружини Афродіти з Аресом, що обернулось для коханців неприємним конфузом. Геліос повідомив Артеміду, що цар Ойней не включив її в число Богів — та в серцях наслала на його царство величезного Калідонського вепра. На міфічному острові Трінакрія паслись огрядні стада білосніжних биків, що належать Геліосу. У кожному стаді було 350 голів, а за Гомером, у нього було 7 стад коров’ячих і 7 отар по 50 голів у кожному. Причому бики Геліоса не плодилися, але і не вмирали. Пасли ці стада доньки Бога Сонця — Фаетуса і Лампетія. За Гомером, на цих биків спокусились голодні супутники Одіссея. Лампетія негайно донесла про це батьку і той зажадав у Зевса кари для нечестивців, загрожуючи інакше сховатися в Аїді. Громовержець задовольнив прохання Бога сонця і розбив блискавкою корабель Одіссея. Одного дня Геракл, бажаючи дістатися до острова, на якому паслися прекрасні корови Геріона, потрапив у пустелю, де дуже страждав від пекучих променів сонця. Не витримавши, він направив свій лук на Геліоса, але вчасно схаменувся, опустив зброю і приніс Богу свої вибачення.

Геліос оцінив ввічливість Героя і навіть позичив йому свій золотий човен, на якому Геракл мав змогу дістатись до острова Еріфії. У Геліоса було чисельне потомство. Від Гірміни — Актор і Авгій; від Клімени — Феба, Гелія, Етерія, Лампетія і Фаетон; від Неєри — Лампетія і Фаетуса; від Персеїди — Еєт, Перс, Кірка і Пасіфая; від Роди — сім синів, які славились як великі астрологи. Павсаній повідомляв, що Геліос був батьком Харит від свого зв’язку з Еглою. Вшановували йому у багатьох місцях: в Коринфі, Аргосі, Еліді, на Родосі. За римською міфологією йому відповідає Соль (Sol). З часів Еврипіда, Геліоса, як всебачащого Бога Сонця, стали ототожнювати із Аполлоном, всезнаючим Богом-віщуном; звідси інше ім’я Геліоса — Феб. Культ Геліоса був особливо поширений в Коринфі, Аргосі, Еліді і на острові Родос, де при заході у гавань стояло його колосальне зображення. З тварин йому були присвячені півень і білі коні. Зображується Геліос майже так само, як і Аполлон.

Статуя Геліоса

Грецький бог Геліос — Бог Сонця. Міфологія Давньої Греції

ДІЗНАЙТЕСЯ БІЛЬШЕ

Грифон — напіворел-напівлев, з довгим зміїним хвостом. Образ грифона об’єднує символіку орла (швидкість) і лева (сила, відвага). Поєднання двох найголовніших сонячних тварин вказує на загальний сприятливий характер істоти — грифон втілює Сонце, силу, пильність, відплату.

Дріади — божества дерев, мешканки лісів і гаїв. За віруваннями греків, Дріади — доньки Зевса і дерев, жили і вмирали разом з деревом.

Емпуса — демонічна істота з ослячими ногами, чудовисько з оточення Гекати, що нагадує багатьма рисами вампіра, що висмоктує ночами кров у сплячої людини.

Єхидна — чудовисько, напівдіва-напівзмія, донька Форкіса і Кето, онучка землі Геї і моря Понта.

ЧИ ЗНАЄТЕ ВИ?

Володар морів (за грецькою міфологією) — дізнатися

Бог багатства і достатку (за грецькою міфологією) — дізнатися

Вважалася Богинею, що дає життя всьому, що існує (за грецькою міфологією) — дізнатися

Розділ 4. Зорі і галактики

Якщо ви подивитесь на небо безхмарної ночі, то побачите тисячі зір. Здавна людський розум намагався проникнути в таємниці цього величезного нескінченного світу. Індійські, грецькі та римські вчені задовго до нашої ери припускали існування безлічі світів, схожих на наш. Уже тоді весь світ отримав назву «Всесвіт», або «космос». Він фантастично великий, а наша крихітна Земля і навіть зорі, які ми бачимо, становлять незначну частину космосу. Всесвіт складається з великої кількості зоряних світів — галактик. Однією з них є наша Галактика, до якої входить Сонячна система. Сонячна система розміщена на краю Галактики, тому основну частину нашої Галактики можна бачити ніби збоку як світлу смугу з безлічі зір, що проходить через усе зоряне небо. Це — Молочний Шлях. Український народ здавна називав його Чумацьким Шляхом.

У цьому розділі ви дізнаєтеся багато цікавого про зорі та галактики.

§ 18. Сонце, його фізичні характеристики, будова та джерела енергії

Сонце — центральне й наймасивніше тіло Сонячної системи, потужне джерело енергії, яку воно постійно випромінює в усіх ділянках спектра електромагнітних хвиль — від рентгенівських і ультрафіолетових променів до радіохвиль. Це випромінювання впливає на всі тіла Сонячної системи: нагріває їх, впливає на атмосфери планет, дає світло й тепло, необхідні для життя на Землі.

Маса Сонця приблизно в 333 000 разів більша за масу Землі та в 750 разів перевищує масу всіх інших планет, разом узятих. Його діаметр дорівнює 1 млн 392 тис. км (109 діаметрів Землі). Вимірювання за межами земної атмосфери показали, що на площу 1 м 2 , розташовану перпендикулярно до сонячних променів, щосекунди надходить 1,37 кВт енергії. Це значення практично не змінюється протягом тривалого інтервалу часу, тому воно одержало назву сонячна стала. Максимум сонячного випромінювання припадає на оптичний діапазон.

Світність Сонця або повну кількість енергії, випромінювану Сонцем в усіх напрямках за одиницю часу, визначають так: значення сонячної сталої множать на площу сфери радіуса r = 1 а. о. (1 а. о. = 149,6 · 10 9 м). L_⊙ = 4пr 2 · 1370 Вт = 3,85 · 1026 Вт. На Землю потрапляє сонячна енергія, яка складає близько половини мільярдної частини її значення.

Майже всі наші знання про Сонце ґрунтуються на вивченні його спектра. Хімічні елементи, які наявні в атмосфері Сонця, поглинають із суцільного спектра, випромінюваного фотосферою, світло певної частоти. У результаті в суцільному спектрі з’являються темні лінії. Йозеф Фраунгофер уперше вивчив і змалював 576 темних ліній сонячного спектра (мал. 4.1). Учений правильно вказав, що джерело темних спектральних ліній — сонячна атмосфера. За положенням у спектрі (тобто довжинами хвиль) та інтенсивністю цих фраунгоферових ліній можна встановити, які хімічні елементи присутні в сонячній атмосфері.

На цей час досліджено понад 30 тис. ліній для 70 хімічних елементів, що є в атмосфері Сонця. Фраунгоферові лінії за інтенсивністю та шириною надзвичайно різноманітні. Аналіз спектральних ліній показав, що переважним елементом на Сонці є Гідроген — на його частину припадає понад 70 % маси Сонця, близько 25 % припадає на Гелій і близько 2 % — на інші елементи.

Знаючи дані про радіус, масу, світність Сонця, та використовуючи фізичні закони, можна одержати дані про тиск, густину, температуру та хімічний склад на різних відстанях від центра Сонця. З наближенням до центра Сонця збільшуються, сягаючи максимальних значень, температура, тиск і густина. Хімічний склад Сонця також відрізняється: процентний вміст водню найменший у центрі.

Високий тиск усередині Сонця обумовлений дією вище розміщених шарів. Сили тяжіння прагнуть стиснути Сонце. Їм протидіє пружність гарячого газу й тиск випромінювання, що йдуть із надр. Ці сили прагнуть розширити Сонце. Тяжіння, з одного боку, а пружність газів і тиск випромінювання, з іншого боку, врівноважують одне одного. Рівновага має місце в усіх шарах від поверхні до центра Сонця. Такий стан Сонця й зір називають гідростатичною рівновагою. Цю просту ідею висунув у 1924 р. англійський астрофізик Артур Еддінгтон (1882-1944). Вона дала змогу скласти рівняння, за яким розраховують моделі внутрішньої будови Сонця, а також інших зір.

Такі моделі є сукупністю параметрів зоряної речовини (температура, тиск, густина тощо) на різних глибинах. За обчисленнями та розрахунком моделі випливає, що температура в центрі Сонця сягає 15 млн градусів. Саме в цій частині й генерується енергія Сонця.

Ми вже знаємо, що сонячна речовина в основному складається з водню. За величезних тисків і температур протони (ядра Гідрогену) рухаються зі швидкостями сотні кілометрів за секунду. Усередині Сонця (на відстанях до 0,3 радіуса від центра) створюються умови, сприятливі для термоядерних реакцій перетворення атомів легких хімічних елементів у більш важкі атоми. З ядер Гідрогену утворюється другий з легких елементів — Гелій. Для утворення одного ядра Гелію потрібно 4 ядра Гідрогену. На проміжних стадіях утворюються ядра важкого Гідрогену (Дейтерію) і ядра ізотопу Не 3 . Цю реакцію називають протон-протонною (мал. 4.2). Під час реакції невелика кількість маси реагуючих ядер водню втрачається, перетворюючись у величезну кількість енергії, яка й підтримує випромінювання Сонця. Через шари, що оточують центральну частину зорі, ця енергія передається назовні. Усередині від 0,3 до 0,7 радіуса від центра Сонця є зона променистої рівноваги енергії, де енергія поширюється через поглинання й випромінювання γ-квантів.

Народжені в центрі Сонця γ-кванти мають енергію в мільйони разів більшу, ніж енергія квантів видимого світла. Довжина хвилі γ-квантів дуже мала. У процесі поглинання квантів атомами й подальшого їхнього перевипромінювання відбувається поступове зменшення їхньої енергії та збільшення довжини хвилі. Кількість квантів під час цього процесу збільшується. Потужні γ-кванти поступово діляться на кванти з меншою енергією: виникають рентгенівські, ультрафіолетові, видимі й інфрачервоні промені.

У частині останньої третини радіуса Сонця є конвективна зона. Тут енергія передається не випромінюванням, а за допомогою конвекції (будова Сонця, мал. 4.3). Причина виникнення конвекції в зовнішніх шарах Сонця та сама, що й у посудині з водою, що кипить: кількість енергії, що надходить від нагрівача, набагато більша від тієї, що передається теплопровідністю. Тому речовина починає рухатися і сама починає переносити тепло. Конвективна зона практично проходить до видимої поверхні Сонця (фотосфери).

Аналіз хімічного складу земних, місячних порід і метеоритів указує на те, що Сонячна система утворилася близько 4,7 млрд років тому. Сонце, за сучасними даними, існує близько 5 млрд років. За останні 3 млрд років світність його майже не змінилася. Повна енергія Сонця, виділена за цей час, дорівнює E_⊙ ≈ L_⊙t = 3,5 · 10 43 Дж. Поділивши це значення на повну масу Сонця, одержимо, що кожен кілограм сонячної речовини виділив близько 1,8 · 10 13 Дж енергії. Реально це значення ще більше, тому що ми не врахували ще перші 2 млрд років. Жодне хімічне паливо не може забезпечити таке значення внутрішньої енергії, яку виділяє 1 кг сонячної речовини.

У середньому Сонце втрачає приблизно 4 млн тонн водню за секунду. На перший погляд це значення може здатися величезним. Однак воно незначне порівняно з повною масою Сонця. Розрахунки показують, що водню в надрах досить для підтримки світіння на сучасному рівні ще протягом 5 млрд років.

ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО

• 1. Що таке сонячна стала? Як її визначили?
• 2. Що розуміють під світністю Сонця? Чому вона дорівнює?
• 3. Які хімічні елементи є переважними для Сонця?
• 4. За рахунок яких джерел енергії випромінює Сонце? Які при цьому відбуваються зміни з його речовиною?
• 5. Якими способами здійснюється перенесення енергії з надр Сонця до поверхневих шарів?