1.2. Солнечная система

В центре нашей планетной системы находится звезда — Солнце, в ко­тором сосредоточено 99,866 % всей массы системы. На все девять пла­нет и десятки их спутников приходится только 0,134 % вещества систе­мы. В то же время 98 % момента количества движения, т. е. произведения массы на скорость и радиус вращения, сосредоточено в планетах. В на­стоящее время известно более 60 спутников планет, около 100 тыс. ас­тероидов, или малых планет, и около 10^йкомет, а также огромное ко­личество мелких обломков — метеоритов.

1.2.1. Солнце и его параметры

Солнце— это звезда спектрального классаG2V, довольно распрост­раненного в ГМП. Солнце имеет диаметр -1,4 млн км (1 391 980 км), массу, равную 1,98 • 10³³км, и плотность 1,4 г/см³(хотя в центре она может достигать 160 г/см³).

В структуре Солнца различают внутреннюю часть, или гелиевое ядро, с Т -15 млн °С и давлением 300 млрд земных атмосфер, далее распола­

гаются зоны радиации (Т -10 млн °С) и конвекции (Т -2 млн °С). Види­мая поверхность Солнца — фотосфера,мощностью до 1 тыс. км и сТ = 6000 °С. Солнечная поверхность имеет структуру ячеек (гранул), каж­дая из которых достигает 30 тыс. км в поперечнике. Гранулярная струк­тура фотосферы обусловленавсплыванием болеевысокотемпературных потоков газа (темные пятна) и погружением относительно болеехолод­ных (светлые пятна) (рис. 1.4). Говоря о хромосфереи фотосфере,нельзя не сказать о явлениях солнечнойактивности, оказывающих влияние на нащу планету. Локальные, очень сильные магнитные поля, возникаю­щие во внешних оболочкахСолнца, препятствуют ионизованнойплаз­ме — хорошему проводнику перемещаться поперек линий магнитной индукции. На подобныхучастках и возникает темное пятно, т. к. про­цесс перемешивания плазмы замедляется. Внешнюю часть солнечного диска составляет хромосфера — область быстрогоповышения темпера­туры — мощностью 10-15 тыс. км. Солнечные протуберанцы — этогран­диозные выбросы фотосферноговещества, поддерживаемые сильными магнитными полями активных областейСолнца. Вспышки, факелы,пет­ли, протуберанцыдемонстрируют непрерывную активность Солнца (рис. 1 на цветной вклейке). Особенно эффектнытак называемые корональ- ные петли, состоящие из плазмы, «выстреливаемой» споверхности Сол­нца в корону и снова падающейна его поверхность.

■<.'она конвекции

Зона лучистого рабнобесия 1*20000 К

Гелиевое ядро Т» 15 млн К

Солнечная корона

Факелы,

Рис. 1.4.Внутренняя структура Солнца

протуберанцы Хромосфера

г а

а

Выше фотосферы и хромосферы располагается солнечная корона мощностью 12-13 млн км и с Т -1,5 млн °С, хорошо наблюдаемая во время полных солнечных затмений. Вещество, располагающееся внут­ри Солнца, под давлением внешних слоев сжимается, и чем глубже, тем сильнее. В этом же направлении увеличивается температура, и, когда она достигает 15 млн °С, происходит термоядерная реакция. В ядре сосредоточено более 50 % массы Солнца, хотя радиус ядра составляет всего 25 % радиуса Солнца. Энергия из ядра переносится к внешним сферам Солнца за счет лучистого и конвективного пере­носа.

В составе Солнца господствует Н, составляющий 73 % по массе, и Не — 25 %. На остальные 2 % приходятся более тяжелые элементы, такие как Fe, О, С,Ne, N, Si, Mg иS и др., всего 67 химических элемен­тов. Источник энергии Солнца — ядерный синтез, слияние четырех ядер Н-протонов в одно ядро Не с выделением огромного количества энер­гии. Один грамм водорода, принимающий участие в термоядерной реак­ции, выделяет 6 • 10" Дж энергии. Такого количества тепла хватит для нагревания 1000 м-^!воды от 0 °С до точки кипения. В ходе ядерных пре­вращений диаметр Солнца практически не меняется, т. к. тенденция к взрывному расширению уравновешивается гравитационным притяже­нием составных частей Солнца, стягивающим газы в сферическое тело. Солнце обладает сильным магнитным полем, полярность которого изме­няется один раз в 11 лет. Эта периодичность совпадает с 22-летним цик­лом нарастания и убывания солнечной активности, когда формируются солнечные пятна с диаметром в среднем 66 тыс. км.

Солнечный ветер, исходящий во все стороны от Солнца, представ­ляет собой поток плазмы — протонов и электронов с альфа-частицами и ионизированными атомами С, О и других, более тяжелых элементов (рис. 2 на цветной вклейке). Скорость солнечного ветра вблизи Земли достигает 400-500 и при больших вспышках даже 1000 км/с. Солнеч­ный ветер оказывает воздействие на магнитосферу — внешнее магнит­ное поле Земли, которое вытягивается в сторону, противоположную Солнцу, на многие миллионы километров, а со стороны Солнца — сплю­щивается. Отдельные частицы солнечного ветра, проникая в магнитос­феру, образуют полярные сияния в атмосфере (рис. 1.5).

Частицы солнечного ветра были исследованы на Луне американскими астронавтами, которые «ловили» их развернутой на шестах алюминиевой фольгой, т. к. на Луне нет ни атмосферы, ни магнитного поля и солнеч­ный ветер достигает ее поверхности беспрепятственно. Солнечный ветер распространяется намного дальше орбиты Сатурна, образуя так называе­мую гелиосферу, контактирующую уже с межзвездным газом, на расстоя­нии 100 АЕ и более.

Рис. 1.5. Солнечный ветер

Выделение энергии Солнцем, как и Т, остается практически неизмен­ным на протяжении 5 млрд лет, т. е. с момента образования Солнца. Атом­ного горючего — Н — на Солнце должно хватить, по расчетам, еще на 5 млрд лет. Когда запасы Н истощатся, гелиевое ядро будет сжиматься, а внешние слои расширяться, и Солнце сначала превратится в «красного гиганта», а затем — в «белого карлика».

Тепло и свет Солнца оказывают большое влияние на земные про­цессы: климат, гидрологический цикл, выветривание, эрозию, существо­вание жизни.

Солнце излучает все типы электромагнитных волн, начиная с радио­волн длиной во много километров и кончая гамма-лучами (рис. 1.6). Электромагнитные волны поглощаются атмосферой тем сильнее, чем меньше их длина. В атмосферу Земли проникает очень мало заряжен­ных частиц, т. к. магнитное поле бронирует ее, но даже малая часть заряженных частиц способна вызвать возмущения в магнитном поле или Северное сияние. Тонкий озоновый экран задерживает на высотах около 30 км все жесткое ультрафиолетовое излучение, тем самым да­вая возможность существования жизни.

Солнечной постоянной называется количество солнечной энергии, по­ступающей на 1 м²поверхности Земли, расположенной перпендикулярно солнечным лучам. Эта величина составляет около 1370 Вт/м². Существует примерное равновесие между поступлением солнечной энергии на Землю и ее рассеиванием с поверхности Земли. Это подтверждается постоянством температуры в земной атмосфере. Радиация, исходящая от Солнца, имею­щая длины волн больше 24 мк, чрезвычайно мала. Остальной спектр —

Длина волны, м

(1 ангстрем) (1 см) (1 м) (1 км)

III I

10" Ю'² 10^ю 10" 10* Ю"⁴ Ю² 1 10 10^г 10³ 1 0⁴ 1 0⁵

I I I I 'I I I

10^й10²' 10" 10" 10'⁵ю'³

Частота, Гц

I I I I I I 1 г

10" ю⁹ ю⁷ ю⁵

Рис. 1.6.Электромагнитный спектр: 1 — гамма-лучи; 2 — рентгеновские лучи; 3 — ультрафиолетовые лучи; 4 — видимый свет; 5 — инфракрасные лучи; 6 — радиоволны.

Скорость электромагнитных волн в вакууме — 299,793 км/с

от 0,17 до 4 мк подразделяют на 3 части. Ультрафиолетовая радиация (0,17­0,35 мк), или химическая радиация, крайне вредна для всего живого. Ее доля в общем балансе не превышает 7 %. Световая радиация (0,35-0,75 мк) состав­ляет уже 46 %. Инфракрасная радиация, невидимая для глаз (0,76-4 мк) в об­щем балансе составляет 47 % (рис. 1.7).

Активные явления на Солнце вызывают на Земле магнитные бури, меняют прохождение радиоволн, влияют на климат и т. д. Подробнее об изменениях солнечной радиации в связи с геологическими процес­сами будет рассказано в соответствующих главах.