Энергия Солнечного света

Энергия Солнечного света.

Электромагнитное излучение подвер¬гается строгому отбору в земной ат-мосфере. Она прозрачна только для видимого света и ближних ультра-фиолетового и инфракрасного из¬лучений, а также для радиоволн в сравнительно узком диапазоне (от сантиметровых до метровых). Всё остальное излучение либо отражает¬ся, либо поглощается атмосферой, на-гревая и ионизуя её верхние слои. Поглощение рентгеновских и жёстких ультрафиолетовых лучей на-чинается на высотах 300—350 км; на этих же высотах отражаются наибо¬лее длинные радиоволны, приходя¬щие из космоса.

При сильных вспле¬сках солнечного рентгеновского излучения от хромосферных вспы¬шек рентгеновские кванты проника¬ют до высот 80— 100 км от поверхно¬сти Земли, ионизуют атмосферу и вызывают нарушение связи на корот¬ких волнах. Мягкое (длинноволновое) ультра¬фиолетовое излучение способно про-никать ещё глубже, оно поглощается на высоте 30—35 км. Здесь ультрафи-олетовые кванты разбивают на атомы (диссоциируют) молекулы кислорода (О2) с последующим образованием озона (О3). Тем самым создаётся не прозрачный для ультрафиолета «озон-ный экран, предохраняющий жизнь па Земле от гибельных лучей.

Не по-глотившаяся часть наиболее длинно¬волнового ультрафиолетового излуче-ния доходит до земной поверхности. Именно эти лучи вызывают у людей загар и даже ожоги кожи при длитель¬ном пребывании на солнце. Излучение в видимом диапазоне поглощается слабо. Однако оно рас-сеивается атмосферой даже в отсут¬ствие облаков, и часть его возвраща¬ется в межпланетное пространство.

Облака, состоящие из капелек воды и твёрдых частиц, значительно усили¬вают отражение солнечного излуче¬ния. В результате до поверхности планеты доходит в среднем около по¬ловины падающего на границу зем¬ной атмосферы света. Количество солнечной энергии, приходящейся на поверхность пло-щадью 1 м, развёрнутую перпенди¬кулярно солнечным лучам на грани¬це земной атмосферы, называется солнечной постоянной.

Измерять её с Земли очень трудно, и потому значе¬ния, найденные до начала космиче¬ских исследований, были весьма приблизительными. Небольшие коле¬бания (если они реально существова¬ли) заведомо «тонули» в неточности измерений. Лишь выполнение специ¬альной космической программы по определению солнечной постоянной позволило найти её надёжное значе¬ние. По последним данным, оно со¬ставляет 1370 Вт/м2 с точностью до 0,5%. Колебаний, превышающих 0,2%, за время измерений не выявлено. На Земле излучение поглощается сушей и океаном.

Нагретая земная по-верхность в свою очередь излучает в длинноволновой инфракрасной об-ласти. Для такого излучения азот и кислород атмосферы прозрачны. За¬то оно жадно поглощается водяным паром и углекислым газом. Благода¬ря этим малым составляющим воз¬душная оболочка удерживает тепло. В этом и заключается парниковый эф¬фект атмосферы. Между приходом солнечной энергии на Землю и её по¬терями на планете, в общем, существу¬ет равновесие: сколько поступает, столько и расходуется.

В противном случае температура земной поверх¬ности вместе с атмосферой либо по¬стоянно повышалась бы, либо падала. 6.2. Солнечный ветер и межпланетные магнитные поля. В конце 50-х гг. XX в. американский астрофизик Юджин Паркер пришёл к выводу, что, поскольку газ в солнеч¬ной короне имеет высокую темпера-туру, которая сохраняется с удалени¬ем от Солнца, он должен непрерывно расширяться, заполняя Солнечную систему. Результаты, полученные с помощью советских и американских космических аппаратов, подтвердили правильность теории Паркера.

В межпланетном пространстве действительно мчится направленный от Солнца поток вещества, получив¬ший название солнечный ветер. Он представляет собой продолжение рас¬ширяющейся солнечной короны; со-ставляют его в основном ядра атомов водорода (протоны) и гелия (альфа-частицы), а также электроны. Части¬цы солнечного ветра летят со скоро-стями, составляющими несколько сот километров в секунду, удаляясь от Солнца на многие десятки астроно¬мических единиц — туда, где межпланетная среда Солнечной системы пе¬реходит в разреженный межзвёзд¬ный газ. А вместе с ветром в межпла¬нетное пространство переносятся и солнечные магнитные, поля. Общее магнитное поле Солнца по форме линий магнитной индукции немного напоминает земное.

Но си¬ловые линии земного поля близ эква¬тора замкнуты и не пропускают на¬правленные к Земле заряженные частицы. Силовые линии солнечного поля, напротив, в экваториальной области разомкнуты и вытягиваются в межпланетное пространство, искри¬вляясь подобно спиралям.

Объясняет¬ся это тем, что силовые линии оста¬ются связанными с Солнцем, которое вращается вокруг своей оси. Солнеч¬ный ветер вместе с «вмороженным* в него магнитным полем формирует газовые хвосты комет, направляя их в сторону от Солнца. Встречая на сво-ём пути Землю, солнечный ветер сильно деформирует её магнитосфе¬ру, в результате чего наша планета обладает длинным магнитным «хво¬стом», также направленным от Солн¬ца. Магнитное поле Земли чутко от¬зывается на обдувающие её потоки солнечного вещества. 6.3. Бомбардировка энергичными частицами.

Помимо непрерывно «дующего» сол¬нечного ветра наше светило служит источником энергичных заряжен¬ных частиц (в основном протонов, ядер атомов гелия и электронов) с энергией 106—109 электронвольт (эВ). Их называют солнечными косми¬ческими лучами. Расстояние от Солн¬ца до Земли — 150 млн. километров —наиболее энергичные из этих частиц покрывают всего за 10—15 мин. Основным источником солнечных кос-мических лучей являются хромосферные вспышки.

По современным представлениям, вспышка — это внезапное выделение энергии, накопленной в магнитном поле активной зоны. На определен-1 гой высоте над поверхностью Солн¬ца возникает область, где магнитное коле на небольшом протяжении резко меняется по величине и направле¬нию. В какой-то момент силовые ли¬нии поля внезапно «пересоединяются>>, конфигурация его резко меняется, что сопровождается ускорением заря-женных частиц до высокой энергии, нагревом вещества и появлением же-сткого электромагнитного излучения.

При этом происходит выброс частиц высокой энергии в межпланетное пространство и наблюдается мощ¬ное излучение в радиодиапазоне. Хотя «принцип действия» вспыш¬ки учёные, по-видимому, поняли пра-вильно, детальной теории вспышек пока нет. Вспышки — самые мощные взрывоподобные процессы, наблюдаемые на Солнце, точнее в его хромосфере. Они могут продолжаться всего не-сколько минут, но за это время выде¬ляется энергия, которая иногда до-стигает 1025 Дж Примерно такое же количество тепла приходит от Солн¬ца на всю поверхность пашей плане¬ты за целый год. Потоки жёсткого рентгеновского излучения и солнечных космиче¬ских лучей, рождающиеся при вспышках, оказывают сильное влия¬ние на физические процессы в верх¬ней атмосфере Земли и околоземном пространстве.

Если не принять спе¬циальных мер, могут выйти из строя сложные космические приборы и солнечные батареи. Появляется даже серьёзная опасность облучения кос¬монавтов, находящихся на орбите.

Поэтому в разных странах прово¬дятся работы по научному предска¬занию солнечных вспышек на ос¬новании измерений солнечных магнитных полей. Как и рентгеновское излучение, солнечные космические лучи не доходят до поверхности Земли, но могут ионизовать верхние слои её ат¬мосферы, что сказывается на устой¬чивости радиосвязи между отдалён¬ными пунктами. Но действие частиц этим не ограничивается. Быстрые ча¬стицы вызывают сильные токи в зем¬ной атмосфере, приводят к возмуще¬нию магнитного поля нашей планеты и даже влияют па циркуляцию возду¬ха в атмосфере.

Наиболее ярким и впечатляющим проявлением бомбардировки атмо-сферы солнечными частицами являются полярные сияния. Это свечение в верхних слоях атмосферы, имею¬щее либо размытые (диффузные) формы, либо вид корон или занаве¬сей (драпри), состоящих из многочисленных отдельных лучей. Сияния обычно бывают красного или зелено го цвета: именно так светятся основные составляющие атмосферы — ки¬слород и азот — при облучении и энергичными частицами.

Зрелищ бесшумно возникающих красных и зелёных полос и лучей, беззвучная иг¬ра цветов, медленное или почти мгновенное угасание колеблющих «занавесей» оставляют незабываемое впечатление. Подобные явления лучше всего видны вдоль овала полярных сияний, расположенного между 100 и 20° широты от магнитных полюсов. В период максимумов солнеч¬ной активности в Северном полуша¬рии овал смещается к югу, и сияние можно наблюдать в более низких широтах.

Частота и интенсивность поляр¬ных сияний достаточно чётко слег ют солнечному циклу: в максимум солнечной активности редкий дек: обходится без сияний, а в минимуме они могут отсутствовать месяцам. Наличие или отсутствие полярных сияний, таким образом, служит не плохим показателем активности Солнца. И это позволяет, проследит: солнечные циклы в прошлом, за пре¬делами того исторического периода, когда проводились систематически: наблюдения солнечных пятен.