Изучение Солнца - Физика в школе
Главное меню:
статьи
Изучение Солнца
ИЗУЧЕНИЕ центрального светила нашей планетной системы — Солнца — имеет важное значение. Солнце снабжает нас светом и теплом, явления, происходящие на его поверхности, вызывают магнитные бури, полярные сияния и другие процессы в земной атмосфере, оказывающие влияние на практическую деятельность человека (качество радиосвязи и т. д.). Результаты исследования Солнца, этой ближайшей к Земле звезды, увеличивают наши знания об устройстве мира, позволяют глубже познать физические свойства материи. Солнце представляет собой огромную естественную физическую лабораторию, где материя находится в таких условиях, которые искусственно пока еще создать невозможно. Единственным способом исследования протекающих в ней процессов является тщательное изучение при помощи специальных приборов солнечных лучей — того излучения, которое доходит до нас.
До Земли доходит свет только от самых внешних слоев Солнца. Его оболочка — фотосфера, образующая непосредственно наблюдаемый нами диск, непрозрачна, и поэтому более глубоких слоев Солнца мы не видим. На фотосфере можно заметить темные пятна и яркие образования — факелы. Над этой оболочкой находится сравнительно тонкий, так называемый обращающий слой газа, несколько более холодный, чем фотосфера. В нем возникают темные линии солнечного спектра. При полных затмениях Солнца, когда фотосфера закрыта Луной, вокруг ее краев можно наблюдать розовую каемку. Это слабо светящаяся хромосфера. Она расположена над обращающим слоем. Отдельные яркие образования в хромосфере называются флоккулами, а темные — волокнами. Когда эти волокна проектируются не на яркую фотосферу, а на темный фон за пределами солнечного диска у его края, они представляются нам яркими протуберанцами.
Самая внешняя и протяженная оболочка Солнца — солнечная корона— состоит из газа, разреженного в сто тысяч раз более, чем в хромосфере. Свечение короны в миллион раз слабее солнечного, поэтому ее можно видеть только в моменты полного солнечного затмения. Свет короны — это в основном свет Солнца, рассеянный свободными электронами короны, содержит также и свое собственное линейчатое излучение. Здесь возникает и значительная часть радиоизлучения Солнца.
ОСНОВНОЙ инструмент, необходимый при всяком исследовании Солнца,— это специальный длиннофокусный телескоп, который совсем не похож на тот прибор, который применяется при наблюдении звезд. Обычно к таким телескопам присоединяют специальные, иногда довольно громоздкие и тяжелые приборы.В отличие от звездного телескопа солнечная установка делается неподвижной. В ней, однако, устанавливается специальная система, состоящая из двух плоских зеркал, которая улавливает свет Солнца и направляет его на объектив. Первое из них называется целостатным и вращается часовым механизмом со скоростью одного оборота в 48 часов вокруг оси, лежащей в плоскости зеркала и установленной параллельно оси мира. От целостатного зеркала пучок солнечных лучей падает на дополнительное, и луч Солнца, отраженный от него, направляется на объектив. Благодаря вращению целостатного зеркала этот луч не меняет своего направления, несмотря на то, что Солнце все время движется.
Солнечные телескопы разделяются на горизонтальные и вертикальные (башенные). Большой, 17-метровый горизонтальный солнечный телескоп советского конструктора Пономарева установлен в Пулкове. Современный башенный солнечный телескоп строится в Крымской астрофизической обсерватории Академии Наук СССР.
В башенном солнечном телескопе световой пучок от целостатной установки и объектива, помещенных на вершине башни, направляется вертикально вниз, в глубокий колодец, где размещены часть оптики и различные приборы. Изображение Солнца получается в рабочей комнате, находящейся у подножья башни или на некоторой глубине под землей. Таким образом, современный солнечный телескоп — это здание высотой от 15 до 45 метров и колодцем глубиной до 15—20 метров, с фотографической комнатой, одним или несколькими лабораторными помещениями.
По изображению Солнца в обычном белом свете можно изучать детали фотосферы. Специальные оптические приборы спектрографы позволяют исследовать спектр солнечных лучей, а также спектры солнечных пятен, факелов и т. д. Для фотографирования диска Солнца в белом свете создан также небольшой фотографический телескоп — фотогелиограф. Советская промышленность изготовляет фотогелиографы нового типа с применением оптических систем лауреата Сталинской премии, профессора Д. Д. Максутова, которые дают наиболее качественные изображения Солнца.
За последнее время особое значение получили исследования солнечной хромосферы, изучением которой занимаются многие обсерватории Советского Союза. Общее количество световой энергии, излучаемой этой слабо светящейся солнечной оболочкой, в отдельных спектральных линиях настолько мало, что увидеть детали в белом свете невозможно. Для этого необходимо смотреть на Солнце через прибор, пропускающий свет только той длины волны, которая испускается самой хромосферой. Чем уже эта полоса пропускания, тем более резко видны детали хромосферы — светлые флоккулы, волокна и протуберанцы. Для получения такого изображения Солнца применяются особые приборы. Они представляют собой небольшое видоизменение обычного спектроскопа — спектрогелиоскоп и спектрогелиограф и позволяют фотографировать и наблюдать нужные участки хромосферы без помех со стороны остального солнечного света. Такие фотографии — спектрогелиограммы особенно важны для точного определения формы, положения и яркости различных деталей хромосферы и протуберанцев.
Недавно ученые решили очень важную задачу — создали светофильтр, который дает возможность наблюдать хромосферу непосредственно, без помощи специальных аппаратов. Принцип работы такого фильтра основан на свойствах света, проходящего через кристаллы.
Известно, что свет представляет собой электромагнитные волны, или колебания, которые происходят в поперечном направлении, то есть совершаются в плоскости, перпендикулярной к направлению распространения луча света, называемой плоскостью поляризации. Обычный, естественный свет является неполяризованным, так как колебания в нем происходят во всевозможных направлениях. Некоторые кристаллы-поляризаторы (например, турмалин) обладают свойством пропускать свет только с одним направлением колебаний. Наша промышленность изготовляет специальные прозрачные пленки — поляроиды. Если поставить один за другим два таких поляроида, ориентированных во взаимно перпендикулярных направлениях, то свет через них не проходит. Это и понятно. Ведь первый поляроид делает свет поляризованным, а второй не пропускает его потому, что он ориентирован в направлении, перпендикулярном направлению поляризации света. Если ввести между поляроидами пластинку, вырезанную специальным образом из кристалла кварца или шпата, то эта система снова начнет пропускать свет. При его разложении в спектре можно обнаружить, что поляроиды с кварцем становятся прозрачными для волн только определенной длины. Это свойство кварцевых пластинок и было использовано учеными для создания узкополосного светофильтра. Работающий на таком принципе фильтр называется интерференционно-поляризационным и представляет собой стопку кварцевых •ии шпатовых пластинок, переложенных пленками поляроидов.
Длина волны пропускаемого света определяется толщиной пластинок. Если же к ним добавить цветное стекло, можно выделить очень узкий участок спектра. Изготовление каждого такого светофильтра требует специальных расчетов, чрезвычайно точной подгонки толщины и установки каждой пластинки. Первые советские интерференционно-поляризационные фильтры были изготовлены в Крымской астрофизической обсерватории Академии Наук СССР А. Б. Гильваргом и автором этой статьи.
Фотографирование Солнца через узкополосные светофильтры имеет большое преимущество перед применением для этой цели спектрогелиографа. Через новый светофильтр можно вести замедленную или ускоренную киносъемку различных участков диска Солнца. При показе этих фильмов на экране с обычной скоростью хорошо видны движения протуберанцев и т. д.
Помимо изучения форм и характера движения различных деталей хромосферы, огромное значение имеет исследование спектрального состава света, излучаемого различными образованиями на поверхности Солнца. По интенсивности этого света в различных спектральных линиях можно определять температуру, электронное давление, плотность, химический состав и другие величины, характеризующие условия, существующие в хромосфере, в протуберанцах или флоккулах.
Обычно спектр солнечного света фотографируют на фотопластинках, которые затем подвергаются детальному изучению. Но этот способ не дает большой точности. Поэтому в настоящее время применяются новые инструменты, использующие для регистрации спектра не фотопластинки, а фотоэлементы или фотоумножители. Такие приборы называются фотоэлектрическими фотометрами. Принцип работы фотометра очень прост. Вместо пластинки ставят экран со щелью, за которой укреплен фотоэлемент или фотоумножитель. Этот экран медленно движется, и щель постепенно продвигается по всему спектру. Чем больше интенсивность света в той части спектра, в створе которой находится щель электрофотометра, тем больше света падает через нее на этот прибор. Сила тока, возникающего в фотоэлементе, пропорциональна количеству света, попадающего на него. Для лучшей работы прибора обычно устанавливается специальный аппарат, который подает усиленный фототок на записывающее приспособление. Таким образом, можно сразу получить запись интенсивности света для каждой длины волны спектра. Точность фотоэлектрического способа примерное 10 раз выше, чем фотографического.
До недавнего времени солнечную корону можно было наблюдать лишь при полных солнечных затмениях. В 1941 году был изобретен новый инструмент — внезатменный коронограф, позволивший изучать солнечную корону в любое время дня. В России отечественный коронограф был установлен на Горной станции Главной астрономической обсерватории на Кавказе. На Крымской астрофизической обсерватории с помощью этого инструмента и узкополосного интерференционно-поляризационного фильтра производилась систематическая киносъемка, показывающая развитие солнечных протуберанцев и активных образований на диске Солнца.
Как уже указывалось выше, в короне возникает и радиоизлучение Солнца. Для исследования этого явления применяются особые антенны и приемники — радиотелескопы. Радиоастрономия— эта отрасль науки, возникшая в 50-е годы в СССР.
Благодаря применению новых совершенных приборов, ученые достигли выдающихся результатов в исследовании Солнца.