Свет Солнца - одна из самых важных вещей на Земле. Он поддерживает жизнь в каждом организме нашей планеты, и без него мы бы просто не существовали. Но каким образом он влияет на нас? И почему Солнце светит вообще? Давайте узнаем, как работают эти процессы.

Ещё одна звезда в небе

В древности люди не знали, почему светит Солнце. Но уже тогда они заметили, что оно появляется рано утром и исчезает вечером, а на смену ему приходят яркие звезды. Его считали дневным божеством, символом света, добра и власти. Сейчас наука шагнула далеко вперед и Солнце уже не столь загадочно для нас. Десятки сайтов и книг расскажут о нём множество подробностей, а NASA даже продемонстрирует его снимки из космоса.

Сегодня мы смело можем утверждать, что Солнце не какой-нибудь особенный и неповторимый объект, а звезда. Такая же, как тысячи других, которые мы видим в ночном небе. Но другие звезды очень далеки от нас, поэтому с Земли они кажутся крохотными огоньками.

Солнце к нам гораздо ближе, и его сияние видно намного лучше. Оно является центром звездной системы. Вокруг него вращаются планеты, кометы, астероиды, метеороиды и другие космические тела. Каждый объект движется по своей собственной орбите. Наименьшее расстояние до Солнца имеет планета Меркурий, самые дальние части системы не изведаны. Одним из дальних объектов является Седна, которая делает полный оборот вокруг светила за 3420 лет.

Почему Солнце светит?

Как и все остальные звезды, Солнце представляет собой огромный горячий шар. Предполагается, что оно образовалось из остатков других звезд около 4,5 миллиардов лет назад. Газ и пыль, освободившиеся из них, стали сжиматься в облако, температура и давление в котором постоянно повышались. «Разогревшись» примерно до десяти миллионов градусов, облако превратилось в звезду, ставшую гигантским генератором энергии.

Так почему Солнце светит? Все это из-за термоядерных реакций внутри него. В центре нашего светила водород непрерывно превращается в гелий, под действием очень высокой температуры - около 15,7 миллионов градусов. В результате такого процесса вырабатывается огромное количество тепловой энергии, сопровождаясь свечением.

Термоядерные реакции проходят только в солнечном ядре. Излучение, которое оно вырабатывает, распространяется вокруг звезды, формируя несколько внешних слоев:

• зону лучистого переноса;
• конвективную зону;
• фотосферу;
• хромосферу;
• корону.

Свет Солнца

Основное количество видимого света производится в фотосфере. Это непрозрачная оболочка, которую отождествляют с поверхностью Солнца. Температура в Цельсиях фотосферы - 5 000 градусов, но есть на ней и более «холодные» области, называемые пятнами. В верхних оболочках температура вновь увеличивается.

Наше светило относится к жёлтым карликам. Это далеко не самая старая и не самая крупная звезда во Вселенной. В своей эволюции она достигла примерно половины пути и проживет в таком состоянии ещё около пяти миллиардов лет. Затем Солнце превратится в красного гиганта. А после сбросит внешнюю оболочку и станет тусклым карликом.

Свет, который оно излучает сейчас, практически белого цвета. Но с поверхности нашей планеты он виден жёлтым, так как рассеивается и проходит через слои земной атмосферы. Близким к реальному цвет излучения становится в очень ясную погоду.

Взаимодействие с Землёй

Расположение Земли и Солнца относительно друг друга неодинаково. Наша планета постоянно движется вокруг звезды по своей орбите. Полный оборот она делает за один год или примерно за 365 дней. За это время она преодолевает расстояние в 940 миллионов километров. На самой планете движение не ощущается, хотя каждый час она проходит примерно 108 километров. Последствия такого путешествия проявляются на Земле в виде смены времен года.

Однако сезоны определяет не только движение вокруг Солнца, но и наклон земной оси. Относительно орбиты она наклонена на 23,4 градуса, поэтому разные уголки планеты освещаются и согреваются звездой не одинаково. Когда Северное полушарие повернуто к Солнцу, там лето, а в Южном полушарии в это же время зима. Через полгода всё меняется с точностью наоборот.

Мы часто говорим, что Солнце появляется днём. Но это лишь выражение, ведь оно и создает нам день. Его лучи пробиваются через атмосферу, освещая планету с утра до вечера. Их яркость настолько сильна, что остальных звезд днем мы просто не видим. Ночью Солнце не перестает светить, просто Земля поворачивается к нему то одним, то другим боком, ведь она вращается не только по орбите, но и вокруг собственной оси. Полный оборот она делает за 24 часа. На стороне развернутой к светилу - день, на противоположной - ночь, каждые 12 часов они меняется.

Незаменимая энергия

От нашей планеты расстояние до Солнца составляет 8,31 световых лет или же в 1,496·10 8 километров, чего вполне достаточно для существования жизни. Более близкое расположение сделало бы Землю похожей на безжизненную Венеру или Меркурий. Впрочем, уже через миллиард лет звезда должна стать горячее на 10%, а ещё через 2,5 млрд. лет она сможет буквально иссушить все живое на планете.

В настоящее время температура светила подходит нам идеально. Благодаря этому, на нашей планете появилось огромное разнообразие жизненных форм, начиная от растений и бактерий, заканчивая человеком. Все они нуждаются в солнечном свете и тепле, и легко умрут при длительном их отсутствии. Свет звезды способствует фотосинтезу растений, при котором вырабатывается жизненно важный кислород. Её ультрафиолетовое излучение усиливает работу иммунитета, способствует выработке витамина D, помогает самоочищению атмосферы от вредных веществ.

Неравномерное прогревание Земли Солнцем создает движение воздушных масс, что, в свою очередь, создает климат и погоду на планете. Свет от звезды влияет на установление циркадных ритмов у живых организмов. То есть, вырабатывается строгая зависимость их активности от смены времени суток. Так, одни животные активны только днём, другие только ночью.

Наблюдение за Солнцем

Среди ближайших к нам звёздных систем Солнце не является самой яркой. Оно занимает по этому показателю только четвертое место. Например, звезда Сириус, которую отлично видно в ночном небе, превосходит его по яркости в целых 22 раза.

Несмотря на это, мы не можем смотреть на Солнце невооруженным взглядом. К Земле оно находится слишком близко и наблюдать его без специальных приборов губительно для зрения. Для нас оно примерно в 400 тысяч раз ярче, чем свет, отражаемый Луной. Невооруженным глазом смотреть на него мы можем только на закате и рассвете, когда его угол небольшой и светимость падает в тысячи раз.

В остальное время, чтобы увидеть Солнце, нужно использовать специальные солнечные телескопы или светофильтры. Если при этом проецировать изображение на белый экран, то разглядеть пятна и вспышки на нашем светиле возможно даже с непрофессиональной техникой. Но делать это нужно аккуратно, чтобы не повредить её.

— довольно обычная звезда для Млечного Пути — не самая яркая, не самая большая и имеет возраст всего 4,5 миллиарда лет. На настоящий момент Солнце единственная известная нам звезда, чьи свет и тепло поддерживают жизнь на единственной обитаемой планете, нам известной. К счастью для нас, Солнце еще светило в тем времена, когда несколько сотен тысяч лет назад появились первые люди. Но откуда у Солнца может быть столько топлива? Почему оно до сих пор не погасло, как свеча или костер? И когда же наша звезда окончательно выгорит?

Почему светит Солнце?

Этот вопрос поднимался учеными уже в XIX веке. В то время ученым было известно только два способа, которыми Солнце могло бы генерировать энергию: либо оно создавало тепло и свет в результате гравитационного сжатия — оно стягивалось к центру и излучало энергию (в виде тепла, ощущаемого нами на ), поэтому со временем стало бы уменьшаться. Либо Солнце горело буквально как уголь в печи — в результате химической реакции, знакомой нам всем, и возникающей, когда мы разжигаем огонь. Взяв за основу то, что любая из перечисленных гипотез могла бы поддерживать объяснение функционирования Солнца, ученые тех лет точно рассчитали, какое время наше светило могло бы существовать, если бы на нем происходил соответствующий процесс. Но ни один результат не совпал с той цифрой, которую исследователи знали о возрасте — 4,5 миллиарда лет. Если бы Солнце сжималось или горело, у него не было бы топлива уже задолго до того, как мы появились на сцене эволюции. Стало очевидно, что на Солнце происходило что-то другое.

Уравнение Энштейна

Несколько десятилетий спустя, вооружившись знаменитым уравнением Эншнейна E = mc2, которое предсказывало, что любая масса должно иметь эквивалентное количество энергии, британские астрономы 1920-х годов предположили, что Солнце фактически превращало свою массу в энергию. Однако вместо печи, которая превращает древесину и уголь в золу и почерневший углерод (излучая свет и тепло), центр Солнца больше похож на гигантскую атомную электростанцию.

Термоядерное топливо Солнца

Солнце содержит огромное количество атомов водорода. Как правило, нейтральный атом водорода содержит положительно заряженный протон и отрицательно заряженный электрон, который вращается вокруг него. Когда этот атом встречается с другим атомом водорода, их соответствующие внешние электроны магнитно отталкивают друг друга. Это предотвращает встречу одного из протонов друг с другом. Но ядро Солнца сильно разогрето и находится под таким давлением, что атомы перемещаются с большой кинетической энергией, которая позволяет им преодолевать силу, связывающую их структуру, и электроны начинают отделяться от своих протонов. Это означает, что протоны, обычно находящиеся внутри ядра атома водорода, могут касаться друг друга и объединяются в ядра других элементов в результате процесса, называемого термоядерным синтезом . Эта реакция происходит с высвобождением колоссального количества энергии.
Так же, как и внутри ядерного реактора, атомы внутри ядра Солнца врезаются друг в друга каждую секунду. В результате таких столкновений чаще всего случается, что четыре протона водорода сливаются друг с другом, чтобы создать один атом гелия. В результате такого синтеза часть массы этих четырех микроскопических протонов оказывается «потеряна», поскольку атом гелия весит меньше, чем суммарно четыре протона. Но поскольку Вселенная сохраняет материю, она не может просто навсегда исчезнуть, эта масса превращается в неимоверное количество энергии — каждую секунду Солнце излучает 3,9 × 10 в степени 26 Вт мощности. (Это такое огромное количество энергии, что, честно говоря, нельзя привести никакой аналогии с земными процессами. Возможно, это число можно оценить следующим образом: такое количество ватт намного больше, чем все электричество, которое весь мир будет тратить текущими темпами более нескольких сотен тысяч столетий).

Сколько будет гореть Солнце?

Эффективность реакции термоядерного синтеза является основной причиной того, что Солнце постоянно излучает тепло, — энергия, выделяемая путем превращения всего одного килограмма водорода в гелий эквивалентна той, которая выделяется при сжигании 20 000 тонн угля. Поскольку Солнце достаточно массивно и относительно молодо, считают, что оно использовало только около половины своего топлива — водорода.
В конце концов, ядро Солнца преобразует весь свой водород в гелий, и звезда умрет. Но не переживайте. Этого не произойдет еще примерно 5 миллиардов лет.

Подрастающего человечка интересует буквально все. Он задает вопросы обо всем, что видит. Отчего солнце светит днем, а звезды ночью? И прочее и прочее. Ответить на, казалось бы, простые вопросы не всегда оказывается легко. Потому что порой не хватает каких-то специальных знаний. Да и как объяснить сложное по-простому? Не всем такое под силу.

Что такое звезда?

Без этого понятия невозможно понятно объяснить, почему солнце светит днем, а звезды ночью. Часто малышам звезды представляются маленькими точками на небе, которые они сравнивают с небольшими лампочками или фонариками. Если и проводить аналогию, то их можно сравнить с огромными прожекторами. Потому что звезды — это невообразимо огромные которые невероятно раскалены и находятся на таком удалении от нас, что кажутся крошками.

Что такое солнце?

Для начала нужно сообщить, что Солнце — это название, как имя. И это имя носит самая близкая к нашей планете звезда. Но почему она не точка? И из-за чего солнце светит днем, а звезды ночью, если они одинаковые?

Солнце не кажется точкой потому, что оно гораздо ближе, чем другие. Хотя и до него тоже далеко. Если измерять расстояние в километрах, то число получится равным 150 миллионам. Такой путь автомобиль проедет за 200 лет, если будет без остановки двигаться с постоянной скоростью, равной 80 км/ч. Из-за невероятно большого расстояния солнце кажется маленьким, хотя оно такое, что без труда вместило бы в себя миллион планет, подобных Земле.

Кстати, солнце далеко не самая большая и не очень яркая звезда на нашем небе. Она просто расположена в одном месте с нашей планетой, а остальные разбросаны далеко в космосе.

Почему днем видно солнце?

Сначала нужно вспомнить: когда начинается день? Ответ простой: когда начинает светить солнце из-за горизонта. Без его света это невозможно. Поэтому, отвечая на вопрос о том, почему светит солнце днем, можно сказать, что сам день не наступит, если не взойдет солнце. Ведь как только оно уходит за горизонт, наступает вечер, а следом - ночь. Кстати, стоит упомянуть и о том, что двигается не светило, а планета. И смена дня на ночь происходит из-за того, что планета Земля без остановки вращается вокруг своей неподвижной оси.

Почему же днем не видно звезд, если они, как и солнце, светят всегда? Это объясняется из-за наличия у нашей планеты атмосферы. В воздухе рассеиваются и затмевают слабое свечение звездочек. После его захода рассеивание прекращается, и ничто не загораживает их тусклый свет.

Почему луна?

Итак, солнце светит днем, а звезды ночью. Причины этого в воздушном слое, окружающем землю. А вот почему луна то видна, то нет? Да и когда она есть, то может принимать разные виды - от тонкого серпа до яркого круга. От чего это зависит?

Оказывается, что сама луна не светится. Она работает, как зеркало, которое отражает солнечные лучи на землю. И наблюдателям видна только та часть спутника, которая освещена. Если рассмотреть целый цикл, то он начинается с очень тонкого месяца, который напоминает перевернутую букву «С» или дугу от буквы «Р». В течение недели он растет и становится похожим на половинку круга. Всю следующую неделю он продолжает увеличиваться и с каждым днем все больше приближается к полному кругу. Следующие две недели рисунок уменьшается. И в конце месяца луна полностью исчезает с ночного неба. Точнее, она просто не видна, потому что освещена только та ее часть, которая отвернулась от Земли.

А что видят люди в космосе?

Космонавтов на орбите не занимает вопрос о том, почему солнце светит днем, а звезды ночью. И это связано с тем, что там видно одновременно и то и другое. Объясняется этот факт отсутствием воздуха, который мешает свету от звезд пройти сквозь рассеянные лучи солнца. Можно назвать их счастливцами, потому что они могут сразу увидеть и ближайшую звезду, и те, что далеки.

Кстати, ночные светила различаются по цвету. Причем это хорошо заметно даже с Земли. Главное - внимательно присмотреться. Самые горячие из них светят белым и голубым. Те звезды, которые холоднее предыдущих, желтые. К ним относится и наше Солнце. И самые холодные излучают красный свет.

Продолжение разговора о звездах

Если вопрос о том, почему солнце светит днем, а звезды ночью, возникает у детей постарше, то можно продолжить разговор, вспомнив о созвездиях. В них объединены группы звезд, которые находятся в одном месте на небесной сфере. То есть они кажутся нам расположенными рядом. На самом деле между ними может быть огромное расстояние. Если бы мы могли далеко отлететь от Солнечной системы, то не узнали бы звездного неба. Потому что очертания созвездий сильно изменились бы.

В этих группах звезд видели очертания человеческих фигур, предметов и животных. В связи с этим и появились различные названия. Большая и Малая Медведицы, Орион, Лебедь, Южный Крест и многие другие. Сегодня насчитывается 88 созвездий. Со многими из них связаны мифы и легенды.

Из-за созвездия меняют свое положение на небе. А какие-то вообще видны только в определенный сезон. Существуют такие созвездия, которые невозможно увидеть в Северном или Южном полушарии.

С течением времени созвездия теряли второстепенные звезды, и по их рисунку стало сложно угадать, как возникло название. Самое известное созвездие Северного полушария — Большая Медведица — теперь превратилось в «ковш». И современных детей мучает вопрос: «Где же здесь медведь?»

Подсчитано, что в среднем величина излучения, исходящего из каждого квадратного метра солнечной поверхности, составляет 62 тыс. киловатт, что приблизительно равно мощности Волховской ГЭС. Мощность же излучения всего Солнца эквивалентна работе 5 миллиардам миллиардов (5·10 18) таких электростанций!

Приведем еще одну цифру: каждый квадратный метр солнечной поверхности излучает столько света, сколько его могли бы дать 5 млн 100-ваттных электрических лампочек... Так, без устали, наше лучезарное светило "трудится" не столетия и даже не тысячелетия, а миллиарды лет!

Что же происходит на Солнце? Откуда оно непрерывно черпает поистине колоссальное количество энергии?

В 1920 году выдающийся английский астроном Артур Эддингтон (1882-1944) впервые предположил, что источником солнечной энергии может быть термоядерный синтез. Впоследствии другие ученые развили эту идею. Согласно современным представлениям, в глубинах Солнца и ему подобных звезд происходят ядерные реакции, то есть процессы, в ходе которых образуются не химические соединения, а ядра новых химических элементов. И вот в раскаленных недрах светила, где температура может достигать 15 млн градусов, ядра атомов водорода - протоны, преодолевая силу взаимного отталкивания, сближаются и, "сливаясь", образуют ядра гелия. Этот процесс превращения водорода в гелий состоит из цепочки трех последовательных ядерных взаимодействий, получивших название протон-протонного цикла , в результате которого из четырех ядер водорода образуется одно ядро гелия. Но масса ядра гелия несколько меньше массы четырех протонов. Так, при синтезе 1 г водорода "дефект массы" составляет 7 мг. Зная это и используя открытый Альбертом Эйнштейном (1879-1955) закон взаимосвязи массы и энергии , можно подсчитать, что только при "сгорании" 1 г водорода выделяется 150 млрд калорий! В солнечном же термоядерном "котле" каждую секунду должно "сгорать" 564 млн т водорода, то есть превращаться в 560 млн т гелия. И если бы из оставшихся на Солнце запасов водорода половина пошла на термоядерный синтез, то Солнце светило и согревало бы Землю с неослабевающей силой еще на протяжении 30 млрд лет. Значит, термоядерный процесс может быть тем неиссякаемым источником энергии Солнца, который так долго не удавалось установить.

Термоядерные реакции протекают лишь при температурах более 10 млн градусов. Такая высокая температура может господствовать только в самой "центральной" области Солнца с радиусом, равным примерно четверти солнечного. Энергия в этом самоуправляемом термоядерном реакторе выделяется в виде жестких гамма-квантов.

"Просачивание" излучения из центра Солнца к поверхности совершается крайне медленно. При этом в процессе переноса энергии от слоя к слою гамма-кванты дробятся. Сперва они превращаются в кванты рентгеновских лучей, затем в ультрафиолетовые... Пройдет около 10 млн лет, прежде чем родившиеся в недрах светила гамма-кванты выйдут из него фотонами видимого света. Таким образом, свет, испускаемый Солнцем сегодня, был порожден еще в конце третичного периода, то есть задолго до появления на Земле типа современного человека.

Но оптическое (видимое) излучение Солнца не отражает физической сущности явлений, совершающихся в глубинах светила. А если так, то солнечный термоядерный синтез - всего лишь гипотеза, которую требуется доказать.

Несмотря на простую формулировку вопроса «Почему светит Солнце?» ответ на него требует некоторой базы физических знаний и изложить его в одном предложении – затруднительная задача. Решить ее мы попытаемся ближе к концу статьи, которую начнем с исторической справки.

История

Одним из первых, кто попытался подойти к объяснению природы Солнца с научной точки зрения был древнегреческий астроном и математик Анаксагор, согласно словам которого Солнце – раскаленный металлический шар. За это философ был заключен в тюрьме. Прежде, чем в 17-м веке началось инструментальное изучение Солнца, было еще немало предположений о природе солнечного света, вплоть до находящихся на поверхности постоянно горящих лесов.

С 17-го века ученым открывается такое явление как солнечные пятна, появляется возможность вычислить период вращения Солнца. Становится ясно, что наша звезда является неким физическим телом со сложной структурой. В 19-м веке возникает спектроскопия, при помощи которой удается разложить солнечный луч на составные цвета. Таким образом, благодаря линиям поглощения, Фраунгоферу удается обнаружить новый химический элемент, входящий в состав звезды, — гелий.

В середине 19 века ученые уже пытались описать свечение Солнца более сложными научными гипотезами. Так Роберт Майер предположил, что звезда нагревается за счет бомбардировки метеоритами. Несколько позже, в 1853-м году, возникла более правдоподобная идея так называемого «механизма Кельвина - Гельмгольца», согласно которой Солнце нагревалось по причине гравитационного сжатия. Однако, в таком случае возраст светила был бы значительно меньше, нежели на самом деле, что противоречило некоторым геологическим исследованиям.

Почему светит Солнце

К верному ответу на данный вопрос впервые подобрался британский физик Эрнест Резерфорд, который предположил, что в Солнце происходит радиоактивный распад и именно он является источником энергии звезды. Позже, в 1920-м году английский астрофизик Артур Эддингтон развил мысль Резерфорда, утверждая, что в ядре Солнца может протекать реакция термоядерного синтеза под действием внутреннего давления собственной массы Солнца. Спустя 10 лет были рассчитаны основные реакции синтеза, порождающие наблюдаемое количество энергии.

Кратко термоядерную реакцию, вследствие которой светит Солнце, можно описать как слияние протонов (ядер водорода) в ядро гелия-4. Так как ядро гелия-4 имеет меньшую массу, чем ядра водорода, то разница энергий (свободная энергия) излучается в виде фотонов – частиц, являющихся электромагнитным излучением.

Термоядерная реакция

Протон-протонные термоядерные реакции синтеза, протекающие внутри звезд с массой Солнца и менее, можно разделить на три цепочки: ppI, ppII, ppIII. Из них на ppl приходится более 84% энергии Солнца. Протон-протонная реакция состоит из трех циклов, где в роли первого выступает взаимодействие двух протонов (двух ядер водорода). Обладая достаточными энергиями, чтобы преодолеть кулоновский барьер, два протона сливаются, в результате чего образуется дейтрон. Так как ядро дейтрона, состоящее из двух протонов, имеет меньшую массу чем два отдельных протона, образуется свободная энергия, за счет которой возникают позитрон и электронное нейтрино, которые излучаются из области, где проходила реакция.

Далее вследствие взаимодействия дейтрона и еще одного протона образуется гелий-3 с выделением энергии в виде электромагнитного излучения. Дальнейшие этапы реакции можно наглядно проследить на представленной ниже схеме.

Реакции, протекающие внутри солнца

Помимо протон-протонной термоядерной реакции синтеза малый вклад в высвобождаемую Солнцем энергию вносит реакция типа протон-электрон-протон 0.23%.

Таким образом, обобщая выше сказанное – Солнце излучает электромагнитные волны различной частоты, в том числе и в области видимого света, которые образованы частицами, рожденными в результате высвобожденной энергии во время протон-протонной (протон-электрон-протонной) реакции термоядерного синтеза.