Сонячний промінь

Що, якщо зібрати все видиме випромінювання Сонця в промінь лазерного типу діаметром в метр і направити його на Землю?

- Макс Шефер

Опинившись на шляху променя, ви, зрозуміло, швидко помрете. І навіть не «від чогось», як зазвичай буває, — ви просто перетворитеся з біологічного явища на фізичне.

Коли промінь світла досягне атмосфери, він за частки секунди нагріє повітря в точці влучення до мільйонів градусів [1]. ↲ За Фаренгейтом, Цельсієм, Ранкіном чи Кельвіном — зовсім не важливо. ↳ Це повітря перетвориться на плазму і розсіюватиме тепло у всіх напрямках у вигляді рентгенівських променів. Вони будуть нагрівати навколишнє повітря, перетворюючи і його на плазму, яка випромінюватиме інфрачервоне світло. Це як вибух водневої бомби, але куди інтенсивніше.

Це випромінювання випарує все навколо, перетворить найближчу область атмосфери на плазму і пожирає поверхню Землі.

Що, якщо ви опинитеся з іншого боку планети? Вам все одно не вижити - за такого розкладу Земля приречена. Але від чого саме ви помрете?

Розміру Землі вистачить, щоб захистити людей на звороті від променя Макса, хоч і ненадовго. Сейсмічні хвилі від руйнувань теж не відразу пройдуть наскрізь планету. Але вас все одно вб'ють не вони. Земля – не ідеальний щит.

Вночі темноджерело?] , тому що Сонце світить на інший бік планети [джерело?]. Але темрява нічного неба не завжди абсолютна. Перед світанком і після заходу сонця видно свічення, тому що атмосфера викривляє світло Сонця, що зник.

Якщо наш промінь вразить Землю, в атмосферу вирветься спектр випромінювань від рентгенівського до теплового, тому варто розібратися в тому, як різні види світла взаємодіють із повітрям.

Говорячи про звичайне світло, ви, можливо, чули про релеївське розсіювання як відповідь на запитання «чому небо блакитне?». Пояснення в цілому правильне, але відповідь «бо повітря блакитний», мабуть, навіть краща. Звичайно, він блакитний за безліччю фізичних причин, але все має колір за безліччю фізичних причин [2]. ↲ На запитання «чому Статуя Свободи зелена?» ми відповімо щось на зразок «статуя вкрита міддю і колись була мідного кольору, але згодом через окислення утворився шар карбонату міді, а він зелений». Ми не говоритимемо «статую робить зеленою розсіювання та поглинання світла певних частот молекулами поверхні».

Коли повітря нагрівається, електрони втрачають зв'язок із ядрами атомів — виходить плазма. Крізь неї проходить потік радіації від променя, тому треба дізнатися, наскільки ця плазма прозора різних видів випромінювань. Тут я хочу згадати статтю Харріса Л. Мейєра від 1964 року Розрахунки прозорості. Минуле та майбутнє, її вступний абзац - найкращий серед усіх робіт з фізики, що я бачив:

Передумови до цієї роботи з'явилися кілька мільярдів років тому. Як тільки зірки почали формуватися, прозорість стала одним із базових параметрів, що визначають структуру фізичного світу, в якому ми живемо. А останнім часом, з розвитком ядерної зброї, що працює за внутрішньозоряних температур, прозорість стає також одним із базових параметрів, що визначають процеси, від яких ми всі можемо померти.

Плазма краще за повітря пропускає рентгенівські промені. Вони пройдуть її наскрізь та нагріють завдяки ефекту Комптону та народженню пар. Але промені швидко зупиняться, як тільки зіткнуться з неплазмовим повітрям зовні.Ось тільки плазмова сфера постійно розширюватиметься завдяки рентгенівським променям від наднагрітого повітря навколо променя. Нова плазма по краях додасть інфрачервоного випромінювання в розжарюючий на своєму шляху потік.

Кільце тепла і світла рознесеться планетою, нагріваючи повітря і землю. З розігрівом повітря плазма та випромінювання все далі поширюватимуться за обрій. Крім того, частина атмосфери буде вибита променем у космос і звідти відбиватиме світло назад на планету.

Точна швидкість, з якою радіація обігне Землю, залежить від різних характеристик атмосферного розсіювання, але вона неважлива, якщо весь цей час Місяць буде у чверті.

Коли пристрій Макса ввімкнеться, Місяця не стане видно — сонячне світло, що його висвітлює, буде зібрано в промені. Після того, як він торкнеться атмосфери, вигляне чверть Місяця.

Моє хобі: правити записи у відкритих бібліотеках так, щоб на момент виходу фільму/книги «Сутінки» Місяць був молодим.

Коли промінь із пристрою Макса торкнеться атмосфери Землі, світло від точки контакту висвітлить Місяць. Залежно від позиції супутника і вашого розташування на поверхні планети, тільки відображене місячне світло може запросто спопелити вас.

…а сутінки, огорнувши планету, принесуть із собою останній захід сонця [3]. ↲ Цією картинкою зручно докучати певним групам людей: [S] помірки. [Ra]світло

Від повного знищення Землю могла б урятувати одна тонкість. Чи здатний механізм Макса тримати на мушці що рухається ціль? Якщо ні, планета забереться з-під удару лише за три хвилини. Люди, щоправда, все одно засмажать, атмосфери та поверхні стане помітно менше, але основна маса Землі обвугленою брилою продовжить свій шлях по орбіті.

Нашому сонячному променю смерті відкриється далекий космос. Якщо через роки він досягне іншої планетної системи, то буде вже занадто розсіяним і не зможе нічого спопелити, але його яскравості напевно вистачить, щоб розігріти поверхні місцевих планет.

Може, сценарій Макса і прирік Землю на знищення, але якщо це когось втішить ми не обов'язково помремо на самоті.

© What If? російською, 2022
Нас можна знайти у ВКонтакті, у Twitter'і, на GitHub'і.
А ще ми перекладаємо комікси на веб-сайті xkcd.ru!

У матеріалах сайту використовуються оригінальні тексти та зображення із сайту what-if.xkcd.com.
Матеріали сайту джерела та цього сайту поширюються за ліцензією Creative Commons Attribution-NonCommercial 2.5 License. Також автори цього сайту повністю солідарні із коментарями до ліцензії.

Знайшли друкарську помилку? Щоб повідомити нас, виділіть текст помилки та натисніть Ctrl+Enter (зі смартфона – кнопку «Помилка?»).

Що таке сонячний промінь

Портал створений за підтримки Федерального агентства з друку та масових комунікацій.

Фізика Сонця

О. Г. Масевич, кандидат фізико-математичних наук

Велика роль Сонця життя на Землі. Світло і тепло приносять на нашу планету сонячне проміння. Їм завдячуємо всіма видами енергії, споживаними людиною.

Велика роль Сонця життя на Землі. Світло і тепло приносять на нашу планету сонячне проміння. Їм завдячуємо всіма видами енергії, споживаними людиною. Енергія води, вітру, енергія будь-якого виду палива – всі вони мають сонячне походження. Спалюючи дрова, вугілля, торф, ми, власне кажучи, використовуємо сонячну енергію, накопичену сучасними рослинами чи рослинами давно минулих геологічних епох.«Колись на Землю впав промінь Сонця, — писав наш великий співвітчизник К. А. Тімірязєв ​​у книзі «Життя рослини», — він упав на зелену билинку пшеничного паростка. Вдаряючись про нього, він згас, перестав бути світлом, але не зник. Він лише витратився на внутрішню роботу. Він розсік, розірвав зв'язок між частинками вуглецю та кисню, з'єднаними у вуглекислоті. Звільнений вуглець. після довгих мандрівок рослиною відклався нарешті в зерні у вигляді крохмалю або клейковини. У тій чи іншій формі він увійшов до складу хліба, який послужив нам їжею. Він перетворився на наші м'язи, на наші нерви. І ось тепер атоми вуглецю прагне в наших організмах знову з'єднатися з киснем, який кров розносить на всі кінці нашого тіла. При цьому промінь Сонця, що причаївся в них у вигляді хімічної напруги, знову набуває форми явної сили. Цей промінь Сонця зігріває нас. Він приводить нас у рух. Їжа є джерелом сили в нашому організмі тому тільки, що вона не що інше, як консерв сонячних променів».

Фотографії Сонця, отримані з проміжком у 2 дні. Видно групи плям, що дають уявлення про обертання Сонця.

Зміна сонячної корони в залежності від кількості плям. Правий стовпець – корона під час максимальної кількості плям, лівий – під час мінімальної.

Значення, яке Сонце має життя на Землі, відомо давно. Тому не дивно, що в давнину люди, не знаючи, що є Сонцем, обожнювали його, будували на честь його храми, молилися йому. З розвитком наших знань Сонце почали ретельно вивчати.Наука довела, що немає надприродних сил у природі, що закони природи єдині як на Землі, так і в навколишньому світі, що Сонце — звичайна звичайна зірка. У той самий час наука розкрила велике значення Сонця в людини. З'ясувалося, що зміни на поверхні Сонця впливають на ряд явищ, що відбуваються у верхніх шарах земної атмосфери, проходження радіохвиль, поява полярних сяйв, магнітних бур і т.д. буд. Ці залежності тепер ретельно вивчаються і мають велике народногосподарське значення, тому що дозволяють вивчати природу верхніх шарів земної атмосфери, передбачати порушення радіозв'язку, давати прогнози магнітних та інших явищ, необхідні для далеких перельотів.

Сонце – найближча до нас зірка. З погляду наших земних масштабів близькість Сонця дуже відносна, оскільки відстань від Землі до Сонця становить 150 мільйонів кілометрів. Але відстань до наступної найближчої зірки — альфи Центавра — у двісті сімдесят тисяч разів більша, а інші зірки ще значно далі. Порівняно з ними Сонце набагато ближче до нас, а тому вивчати його легше.

Основним способом пізнання природи небесних тіл є спектральний аналіз - вивчення променів світла, що приходять з їхньої поверхні. Розкладання променя світла в спектр та ретельне дослідження структури цього спектру дозволяють робити важливі висновки щодо хімічного складу, температури, наявності магнітних або електричних полів у зовнішніх шарах Сонця та зірок. Відстань при цьому не має особливої ​​ролі. Потрібно лише, щоб зірка давала достатньо світла для її фотографування. Однак близькість Сонця, без сумніву, є величезною перевагою для дослідників.

У телескопи бачимо поверхню Сонця, можемо вивчати їх у різних променях світла й у окремих деталях, можемо простежити змінами. Під час сонячних затемнень стають доступними дослідженню зовнішні оболонки Сонця, виступи на краях і сонячна корона. Все це, поряд із спектральними дослідженнями, допомагає глибше пізнати фізичну природу нашого денного світила, вивчити його будову, температуру, стан, в якому знаходиться сонячна речовина, внутрішні рухи, обертання тощо. Стосовно зірок ми далеко не маємо подібних переваг. Навіть у найпотужніші телескопи не можна розглянути безпосередньо поверхню зірок, не кажучи вже про окремі деталі на цій поверхні. Але оскільки Сонце є типовою рядовою зіркою, то виявлені йому закономірності з достатньою підставою може бути перенесені більшість подібних зі ним зірок. Вивчення великої сукупності зірок, своєю чергою, дозволяє робити висновки про напрямок їх розвитку, вирішувати питання походження та еволюції зірок — найважливіші питання сучасної астрономії.

Таким чином, вивчення Сонця грає величезну роль як для практичних цілей на Землі, так і для найважливіших питань пізнання навколишнього світу.

Фізика Сонця вивчає атмосферу та внутрішню будову Сонця (у тому числі питання про джерела сонячної енергії та розвиток Сонця).

Вивчення сонячної атмосфери, як зазначалося, доступне безпосереднім спостереженням.Розглядаючи поверхню Сонця в телескоп, ми проникаємо поглядом крізь розріджені та прозорі зовнішні оболонки Сонця на кілька сотень кілометрів углиб сонячної атмосфери, доти тюка атмосфера ця не стане досить непрозорою. Цю видиму нами поверхню Сонця називають фотосферою (сферою світла). Глибше ми практично «не бачимо» — непрозорість сонячної речовини не дозволяє доходити до нашого ока випромінюванню глибших шарів. Умовно фотосферу називають "поверхнею" Сонця - умовно тому, що насправді над нею знаходиться ще ряд оболонок Сонця. Коли ми вивчаємо спектр фотосфери, ми насправді вивчаємо ряд спектрів різних зовнішніх шарів Сонця, що накладаються один на одного. Цей комплекс відповідає спектру джерела світла, температура якого становить близько 6000°. Температуру і приймають за температуру сонячної фотосфери, а для стислості часто говорять, що температура поверхні Сонця становить 6000°. При 6000° всі речовини, навіть тугоплавкі, випаровуються, перетворюються на розпечені гази. Сонце - це величезна розпечена газова куля.

Фотосфера, як це видно в телескоп, має зернисту будову: на відносно темному тлі виступають яскравіші плями — гранули. На світлі ці світлі цятки виглядають крупинками, а насправді, як показав ще 1905 року російський учений А. Ганський, розміри гранул становлять 700—1000 км. Гранули - окремі газові утворення у фотосфері - знаходяться в безперервному русі, що легко помітити, якщо спостерігати поверхню Сонця протягом деякого часу.

З'являються періодично на поверхні Сонця плями є своєрідними вихровими воронками в фотосфері, що вказують на існування в ній бурхливих рухів. як би затягує в ядро ​​навколишнє речовина. Таким чином, місцевими обуреннями, що виробляють перегрупування різних шарів в атмосфері Сонця. Їх можна порівняти з циклонами в земній атмосфері. (6000 °). Окремі місця фотосфери, навпаки, Світяться особливо яскраво — це так звані факели. Дуже цікавою обставиною стало відкриття сильного магнітного поля сонячних плям. сонячних плям. Над фотосферою, яка сама складається з розрідженого газу, розташовується ще більш розріджена. атмосфера Сонця, що складається з кількох шарів. Безпосередньо до фотосфери прилягає самий щільний і водночас найтонший шар атмосфери — так званий шар обертання. Над хромосферою знаходиться сонячна корона - найвища, дуже розріджена частина сонячної атмосфери.Під час повних сонячних затемнень є можливість розглянути атмосферу Сонця в деталях - вона помітна в поперечному розрізі. Як показав А. Ганський, сонячна крона змінює свою форму та будову залежно від кількості сонячних плям. Коли Сонце багато плям, корона буває яскравіше і рівномірно оточує Сонце з усіх боків. У роки, коли плям мало, корона витягується вздовж сонячного екватора на зразок крил. Дослідженнями радянського вченого, професора Є. Я. Бугославської встановлено, що корона має променисту будову. Окремі промені корони різні залежно від того, перебувають вони над плямами чи над незбуреними областями.

За допомогою спеціальних інструментів зараз вдається спостерігати корону і поза затемненням. Подібні спостереження успішно виробляються на Гірській станції Пулковської обсерваторії радянським вченим М. М. Гневищовим.

Вивчення спектру корони показало, що вона складається з двох частин — внутрішньої та зовнішньої корони, спектри яких є різними. У внутрішній короні завдяки особливим фізичним умовам сонячне світло розсіюється електронами, відірваними від атомів. Зовнішня корона фізично пов'язані з Сонцем. Причиною її світіння є пилові частки, що заповнюють міжпланетний простір. Частинки ці особливим чином розсіюють сонячне світло, що падає на низ, і створюють таким чином видимість зовнішньої частини корони Сонця.

В атмосфері Сонця відбувається безперервна циркуляція розпечених газів, існують потоки, що захоплюють різні її рівні та нагадують рухи в нашій земній атмосфері. Швидкість обертання окремих верств атмосфери Сонця неоднакова - верхні її верстви обертаються швидше.Рівновага в сонячній атмосфері і безперервна циркуляція в ній постійно порушуються, що веде до виникнення протуберанців — колосальних фонтанів газу, що світиться, іноді піднімаються на висоту в сотні тисяч кілометрів над поверхнею Сонця. Протуберанці, як правило, дуже непостійні освіти. Вони бувають двох типів; спокійні та еруптивні (вибухові). Коли перші, поступово змінюючись, спостерігаються іноді навіть протягом місяця, другі, швидко змінюючи свої обриси, зникають вже за кілька годин після появи. Рухають протуберанці з величезними швидкостями, що сягають 500 км на секунду.

Ще порівняно недавно протуберанці спостерігалися лише під час повних сонячних затемнень. Останнім часом астрономи, ретельно закриваючи у телескопі зображення Сонця темним диском, застосовуючи особливу високоякісну оптику та спеціальні світлофільтри, отримали можливість спостерігати протуберанці у будь-який час. У найбільшій астрофізичній обсерваторії СРСР Криму професор А.А. Б. Північний та його співробітники роблять систематичну кінематографічну зйомку протуберанців. На кіноплівці відображаються безперервні зміни протуберанців з часом. Ретельне вивчення цієї кінодокументації дозволяє відкривати нові особливості та закономірності процесів, що відбуваються на Сонці. Фізична природа сонячних оболонок, особливо сонячної корони, пояснена переважно роботами наших радянських астрономів — професора І.І. З. Шкловського та ін.

У Радянському Союзі створено так звану службу Сонця, яка веде регулярне спостереження за явищами, що відбуваються на сонячній поверхні.Особливо цінні роботи з вивчення зв'язку сонячної діяльності із земними явищами проведені за останні десятиліття нашими вченими в Пулковській обсерваторії.

Вивчення спектра сонячних променів дозволило визначити хімічний склад сонячної атмосфери. Виявилося, що більш ніж на 50% (у вагових частках) вона складається з найлегшого газу водню. Близько 40% у ній становить інший газ — гелій і менш як 10% припадає на частку інших елементів. Серед них насамперед слід назвати кисень, вуглець, азот, залізо, кремній, калій, кальцій, сірку, а також багато інших хімічних елементів, з яких складаються всі тіла Землі. Жодних інших, «особливих» елементів в атмосфері Сонця не виявилося. Це відкриття, що має величезне наукове значення, повністю спростувало вигадки церковників про поділ світу на «земний» і «небесний» та безглузді висловлювання філософів-ідеалістів, які оголошували питання про хімічний склад небесних тіл, що є принципово непізнаваним.

Склад всього Сонця загалом ні значно відрізнятися від складу його зовнішніх верств. Вивчення пилянь, що відбуваються на поверхні Сонця, дозволяє зробити певні висновки у цьому напрямку. У свій час вважали, що найбільш важкі хімічні елементи осідають у глиб Сонця, а на поверхні залишаються лише легкі речовини. Вивчення спектрів протуберанців та хромосфери показало, що у них зустрічаються навіть такі важкі елементи, як залізо та торій. Безперечно також наявність бурхливих переміщень газових мас сонячної речовини (плями, смолоскипи тощо). Усе це свідчить про велику ймовірність безперервного перемішування сонячної речовини, отже, і його однорідність.

Спостережень доступні поки лише зовнішні шари Сонця. Але зіставлення даних, отриманих в результаті спостережень, з висновками, що випливають їх загальних законів фізики та механіки, вивчення найдрібніших частинок речовини, атомних ядер та електронів, дозволило побудувати теорію внутрішньої будови Сонця та інших зірок, подумки проникнути в їхні надра, з'ясувати, які там умови та які явища відбуваються за подібних умов.

Сонячна речовина – це розпечений газ, температура та щільність якого зростають від поверхні вглиб. Газ цей знаходиться у істотно відмінних умовах від тих, у яких ми звикли мати справу зі звичайними газами на Землі. Температура у надрах Сонця сягає 20 мільйонів градусів, а тиск – мільйони мільйонів атмосфер. За такої температури внаслідок неминуче частих зіткнень відбувається взаємодія між найдрібнішими частинками — атомними ядрами. Ці взаємодії, що призводять до перетворення ядер окремих атомів, так звані ядерні реакції, супроводжуються виділенням атомної енергії. Внаслідок ядерних реакцій у надрах Сонця одна речовина — водень — перетворюється на іншу речовину — гелій. При цьому звільняється атомна енергія, яка є джерелом випромінювання Сонця. Сонце та більшості зірок щомиті випромінюють величезну кількість енергії завдяки тому, що в їх надрах (в основному внаслідок високої температури) звільняється атомна енергія.

Скільки часу наше Сонце зможе ще випромінювати так само, як тепер, енергію? На це питання вже не важко відповісти. Сонце наполовину складається із водню.Ядерні реакції, в результаті яких водень перетворюється на гелій, досить добре вивчені в лабораторії, і швидкість протікання їх у надрах Сонця, за температури 20 мільйонів градусів, може бути підрахована. Отже, легко можна обчислити, скільки часу Сонце зможе незмінно світити за рахунок наявного в ньому водню. Виявляється, що цей час вимірюється десятками мільярдів років.

Усі етапи розвитку науки про небесні тіла, зокрема вивчення природи найближчої до нас зірки — Сонця, є яскравим доказом могутності людського пізнання, озброєного матеріалістичною діалектикою, що проникає все далі в глибини Всесвіту. Можна не сумніватися в тому, що найпередовіша у світі радянська астрономічна наука, дедалі глибше вивчаючи зв'язок між діяльністю Сонця та земними явищами, зуміє в майбутньому широко використати сонячну енергію на користь людству.