Солнце как источник света

Мы живем в мире солнечного света. Солнце - главный источник энергии на Земле и главный источник освещения земной поверхности. Без Солнца Земля была бы темной планетой, так как у нее нет сколько-нибудь значительных собственных источников освещения. Действительно, на Земле светятся жуки-светляки и другие наземные и морские животные, светятся гнилушки за счет микроорганизмов, вызывающих гниение. Небольшое количество света испускает атмосфера в виде ночного свечения, которое происходит повсюду на земном шаре. Более интенсивное свечение в виде полярных сияний наблюдается в полярных районах. Кратковременно Земля освещается молниями и более длительно - светом, сопровождающим извержения вулканов. Роль всех перечисленных источников в освещении земной поверхности в сравнении с солнечным светом ничтожно мала, к тому же во всех них реализуется накопленная солнечная энергия.

Что же представляет собой наше Солнце? Это огромный газообразный шар радиусом 695 500 км. Масса Солнца составляет 1,98 · 10³⁰ кг. Средняя плотность солнечной материи немного больше плотности воды и равна 1,4 г/см³.

Земля вращается вокруг Солнца по эллиптической орбите. Среднее расстояние Земли от Солнца равно 149500000 км, округленно 1,5 · 10¹¹ м. Это расстояние называют астрономической единицей (а. е.). Оно принято в качестве основной единицы для измерения расстояний в Солнечной системе. На самом большом удалении от Солнца (1,067 а. е.) Земля находится 4 июля. Эта точка орбиты Земли называется афелием. На самом маленьком удалении от Солнца (0,983 а. е.) Земля находится 3 января. Эта точка орбиты называется перигелием. Видимый угловой диаметр солнечного диска составляет 32', телесный угол, под которым мы его видим с Земли, составляет 6,8 · 10^-5 стерадиана.

Непрозрачная внешняя светящаяся поверхность солнечного шара называется фотосферой. Она испускает основной поток солнечной энергии. Большая яркость фотосферы - мы не можем смотреть на Солнце незащищенным глазом - обусловлена высокой температурой ее поверхности, составляющей около 6000 К. Над фотосферой расположены хромосфера, простирающаяся до высоты 10000 - 15000 км, и солнечная корона. Последняя представляет собой почти полностью ионизированный газ (его называют плазмой). Солнечная корона простирается до земной орбиты. Мы живем, таким образом, в солнечной короне.

Солнце излучает радиацию в широком диапазоне длин волн. 99% его энергии заключено в интервале 0,10 - 4 мкм. Солнечный спектр делят на три части: ультрафиолетовую (УФ) область с длинами волн короче 0,39 мкм, видимую, или световую, часть спектра с длинами волн от 0,39 до 0,76 мкм и инфракрасную (ИК) область с длинами волн более 0,76 мкм. Распределение солнечной энергии между этими тремя областями следующее: на УФ-область приходится около 9%, на видимую - 47% и на ИК-область - 44%.

Общее количество солнечной радиации, поступающее в единицу времени на единичную площадку на внешней границе атмосферы, перпендикулярную солнечным лучам, при среднем расстоянии Земли от Солнца называют солнечной постоянной. Значение солнечной постоянной определялось тщательными измерениями на протяжении длительного времени, сейчас оно принято равным 1370 Вт/м². ЭТО означает, что на каждый квадратный метр поверхности, перпендикулярной солнечным лучам и удаленной от Солнца на 1 а. е., падает 1370 Вт солнечной энергии.

Световые явления, описанные в данной книге, создаются не всем солнечным потоком, а только его световой частью. Электромагнитные волны не только от Солнца, но и от любого другого источника, длины которых заключены между 0,39 и 0,76 мкм, как известно, обладают особыми свойствами: попадая в глаз человека, они вызывают ощущение света. Поэтому их и назвали световыми или видимыми. Подробнее свойства световых потоков и их характеристики будут рассмотрены в главе 8.

Световое излучение любого источника света характеризуется специальными световыми величинами, для измерения которых применяются световые единицы. Приведем основные световые характеристики Солнца. Начнем с освещенности.

Световой поток солнечных лучей, поступающий на внешнюю границу атмосферы, создает там освещенность на площадке, перпендикулярной лучам, равную 135000 лк. Эту освещенность назвали световой солнечной постоянной или заатмосферной освещенностью. Обозначим ее Е₀.

Все световые характеристики связаны между собой определенными простыми соотношениями. Например, освещенность Е связана с силой света I зависимостью:

(1.1)

Отсюда, зная Е₀, создаваемую Солнцем на расстоянии L = 1 а. е., вычислим силу света Солнца I:

Яркость солнечного диска составляет 2 · 10 кд/м².

Вычислим общий световой поток F, испускаемый Солнцем во всевозможные направления с одинаковой силой света I. Учитывая, что полный телесный угол равен 4π стерадиан, получим:

Общий поток энергии Ф, излучаемой Солнцем во всех длинах волн в окружающее пространство, составляет 3,9 · 10²⁶ Вт. Солнечные лучи несут с собою солнечную массу. Дошедшая до Земли солнечная энергия - это часть массы Солнца. Чтобы нагляднее представить себе, насколько велик общий поток энергии, излучаемой Солнцем каждую секунду, подсчитаем, какую массу теряет Солнце за счет излучения потока в 3,9 · 10²⁶ Вт. Для решения воспользуемся формулой, связывающей полную энергию тела или системы Ф с его массой m:

(1.2)

Здесь с - скорость света в пустоте, равная 3 · 10⁸ м/с. Отсюда

Таким образом, Солнце "худеет" каждую секунду на 4,3 млн. т!

Однако масса Солнца настолько велика (1,98 · 10³⁰ кг), что для него такая потеря совсем неощутима. Из 4,3 млн. т массы, излучаемой Солнцем в окружающее пространство, на земную поверхность падает (на половину Земли, освещенную Солнцем) всего около 1,9 кг. Вот из этих 1,9 кг солнечной массы и черпается энергия на все процессы, протекающие в атмосфере и на земной поверхности!