Как мы ощущаем солнце носом
Как мы ощущаем окружающий мир
Что такое ощущение
Представь, что ты держишь в руках предмет, о котором ничего не знаешь. Не знаешь, как он называется, зачем нужен, как его можно использовать. И всё же ты многое можешь о нём сказать. Например, ты можешь почувствовать, твёрдый он или мягкий, шершавый или гладкий, тяжёлый или лёгкий, горячий или холодный, какого он цвета и чем пахнет. А может быть, он даже издаёт какие-нибудь звуки? Узнать всё это ты можешь при помощи ощущений.
Значит, ощущение — это способность человека чувствовать различные свойства окружающего мира. Ощущения помогают нам ответить на вопрос: «Какой это предмет?», но ничего не говорят о том, как он называется и для чего нужен.
Ощущения сообщают тебе и об изменениях в твоём собственном теле. Ты чувствуешь движение своих рук, ног, головы, туловища. Боль сигнализирует о неполадках в работе организма. Без ощущений мы бы ничего не знали о мире и о себе.
Когда ты придёшь к кому-нибудь в гости, обрати внимание на звуки, которые ты услышишь в этом доме. Все ли звуки тебе будут понятны? Похожи ли они на звуки твоего дома?
Надень плотные перчатки и попытайся на ощупь с закрытыми глазами определить, из чего сделаны предметы. Получилось? Как ты думаешь, почему?
Как возникают ощущения
Из своего опыта ты хорошо знаешь, что при сильном насморке исчезает ощущение вкуса и запаха пищи. Слепой от рождения человек никогда не сможет представить себе, что такое цвет. Для глухого человека не существует огромного мира звуков. Значит, глаза, уши, язык, нос, кожа и позволяют нам почувствовать окружающий мир. Их так и называют — органы чувств. Но одних органов чувств ещё недостаточно для получения ощущения. Все они соединены с самой сложной частью нашего организма — головным мозгом. Как соединены? При помощи тонких нервных нитей. Получаются как бы специальные «приборы», с помощью которых мы ощущаем.
Каждый из этих сложных «приборов» состоит из трех частей — органа чувств, головного мозга и соединяющих их нервных волокон (нитей). Эти приборы называются анализаторами.
 |
 |
Ощущение появляется у человека только тогда, когда исправно работает весь прибор, весь анализатор в целом. Например, звук улавливает не одно только ухо, а весь анализатор. Если повреждён нерв, который соединяет здоровое ухо с мозгом, или сам мозг, то человек ничего не сможет услышать. Само ухо при этом может быть совершенно здоровым. Это немного похоже на работу электрической лампы. Свет погаснет, если перегорит сама лампочка, либо оборвется ведущий к ней шнур, либо сломается выключатель.
Ощущения внутри нас
Но есть и другие ощущения. Они сигнализируют нам о том, что происходит внутри нашего тела.
Ты целый день двигаешься: ходишь, бегаешь, прыгаешь, пишешь или собираешь модель из конструктора. Ты даже не задумываешься о том, как работают при этом твои руки, ноги, пальцы или все туловище. Но если ты согнёшь руку с закрытыми глазами, то легко сможешь определить ее положение. Об этом тебе сообщат двигательные ощущения.
Когда ты ощупываешь руками предмет, к двигательным ощущениям присоединяются кожные. Это называется осязанием.
Ты, наверное, помнишь, как трудно было в первый раз проехать на двухколёсном велосипеде, роликах, коньках или лыжах. Сложнее всего тебе было удержать равновесие и не упасть. Ощущение равновесия дает нам орган, расположенный во внутреннем ухе. Он похож на раковину улитки и называется лабиринтом.
При повреждении лабиринта человек не может ни стоять, ни сидеть, ни ходить, он будет всё время падать.
Очень важным видом ощущений являются органические ощущения. Такое название им дали потому, что они рассказывают нам о работе нашего организма, наших внутренних органов — пищевода, желудка, кишечника и многих других. Пока ты сыт и здоров, ты вообще не замечаешь никаких органических ощущений. Они появляются только тогда, когда в работе организма что-нибудь нарушается. Например, если ты съешь что-нибудь не очень свежее, то нарушится работа твоего желудка, и ты сразу же это чувствуешь: появится боль в животе.
Голод, жажда, тошнота, боль — вот что такое органические ощущения. Если бы их не было, мы не могли бы вовремя распознать какую-нибудь болезнь и помочь своему организму справиться с ней.
1. Закрой глаза и попробуй принять те позы, которые тебе будет называть твой друг. Например, можно встать в позу «ласточки», сесть «по-турецки», изобразить кошку или какое-нибудь другое животное.
2. Покружись немного на одном месте, а потом попытайся пройти по нарисованной мелом прямой линии (или подоске ковра). Удалось ли тебе сохранить равновесие? Почему?
3. Представь себе, что ты возвращаешься домой с прогулки и еще с порога говоришь маме, что хочешь есть. А как ты узнаешь, что хочешь именно есть, а не спать?
Всё ли мы ощущаем
Далеко не всё, что действует на наши органы чувств, вызывает у нас ощущение. Мы не ощущаем прикосновения падающих на нашу кожу пылинок, не слышим с другого конца комнаты тиканья часов. Мы не чувствуем слабых запахов, которые хорошо улавливает идущая по следу собака.
Для того, чтобы у нас возникло ощущение, приходящий к органам чувств сигнал должен быть достаточно сильным. Попробуй провести такой простой опыт. Включи музыку так, чтобы поначалу ее вообще не было слышно. Постепенно увеличивай громкость до тех пор, пока не услышишь тихие, едва уловимые звуки.
Значит, звук как будто преодолел границу твоей чувствительности, тот порог, за которым ты его не слышал.
В мире нет совершенно одинаковых людей, поэтому и восприимчивость органов чувств у всех немного разная. Один человек может заметить совсем слабый, тусклый свет, а для другого этот свет должен быть чуть ярче.
Представь себе, что ты и твой друг участвуете в научном опыте. Вам на голову надели наушники и дали задание: внимательно слушать и поднять руку, как только в наушниках раздастся тихий звук. Сначала было очень тихо, а потом ты услышал слабый-слабый писк и сразу же поднял руку. Через две секунды поднял руку и твой друг.
Ты услышал слабый сигнал первым, значит, слуховой анализатор у тебя оказался более чутким, чем у друга. А на сколько? Можно ли это как-нибудь измерить и сравнить? Конечно, можно. Специальный прибор точно записывает, какова была сила действия звука в тот момент, когда каждый из вас смог его услышать.
Эту самую маленькую силу действия сигнала на твои органы чувств, которую они уже способны уловить, называют порогом ощущения.
Пороги ощущения у всех людей немного различаются. Но даже у одного и того же человека пороги ощущения могут изменяться. Часовой, который ночью стоит на посту, может уловить почти неслышимые звуки, потому что он очень внимательно ко всему прислушивается. Однако в другое время, например, днём, тот же самый часовой может и не услышать тихих звуков, потому что теперь ему помогает еще и зрение. Он не только внимательно слушает, но и наблюдает за всем, что происходит вокруг. Поэтому порог его слуховой чувствительности временно изменился.
1. Что такое порог ощущения?
2. Почему мы не ощущаем, как на нас садятся пылинки?
3. Собака бежит к входной двери ещё до того, как в неё позвонят, а её хозяин и звонок не всегда сразу услышит. В чем разница между слухом собаки и её хозяина?
Что такое ощущение
Представь, что ты держишь в руках предмет, о котором ничего не знаешь. Не знаешь, как он называется, зачем нужен, как его можно использовать. И всё же ты многое можешь о нём сказать. Например, ты можешь почувствовать, твёрдый он или мягкий, шершавый или гладкий, тяжёлый или лёгкий, горячий или холодный, какого он цвета и чем пахнет. А может быть, он даже издаёт какие-нибудь звуки? Узнать всё это ты можешь при помощи ощущений.
Значит, ощущение — это способность человека чувствовать различные свойства окружающего мира. Ощущения помогают нам ответить на вопрос: «Какой это предмет?», но ничего не говорят о том, как он называется и для чего нужен.
Ощущения сообщают тебе и об изменениях в твоём собственном теле. Ты чувствуешь движение своих рук, ног, головы, туловища. Боль сигнализирует о неполадках в работе организма. Без ощущений мы бы ничего не знали о мире и о себе.
Когда ты придёшь к кому-нибудь в гости, обрати внимание на звуки, которые ты услышишь в этом доме. Все ли звуки тебе будут понятны? Похожи ли они на звуки твоего дома?
Надень плотные перчатки и попытайся на ощупь с закрытыми глазами определить, из чего сделаны предметы. Получилось? Как ты думаешь, почему?
Как возникают ощущения
Из своего опыта ты хорошо знаешь, что при сильном насморке исчезает ощущение вкуса и запаха пищи. Слепой от рождения человек никогда не сможет представить себе, что такое цвет. Для глухого человека не существует огромного мира звуков. Значит, глаза, уши, язык, нос, кожа и позволяют нам почувствовать окружающий мир. Их так и называют — органы чувств. Но одних органов чувств ещё недостаточно для получения ощущения. Все они соединены с самой сложной частью нашего организма — головным мозгом. Как соединены? При помощи тонких нервных нитей. Получаются как бы специальные «приборы», с помощью которых мы ощущаем.
Каждый из этих сложных «приборов» состоит из трех частей — органа чувств, головного мозга и соединяющих их нервных волокон (нитей). Эти приборы называются анализаторами.
| |
| |
Ощущение появляется у человека только тогда, когда исправно работает весь прибор, весь анализатор в целом. Например, звук улавливает не одно только ухо, а весь анализатор. Если повреждён нерв, который соединяет здоровое ухо с мозгом, или сам мозг, то человек ничего не сможет услышать. Само ухо при этом может быть совершенно здоровым. Это немного похоже на работу электрической лампы. Свет погаснет, если перегорит сама лампочка, либо оборвется ведущий к ней шнур, либо сломается выключатель.
Как мы ощущаем окружающий мир
Теперь ты знаешь, что ощущения мы получаем при помощи органов чувств. Каждый из органов чувств дает нам свои особые ощущения— зрительные, слуховые, обонятельные, вкусовые, кожные.
Слуховые ощущения возникают у нас при помощи органа слуха. Ты слышишь множество разнообразных звуков. Все они делятся на музыкальные звуки (звуки пения, музыкальных инструментов) и шумы (скрипы, шорохи, треск, грохот). В нашей речи есть и музыкальные звуки (гласные), и шумы (согласные).
Наша способность чувствовать запахи называется обонянием. Органами обоняния являются специальные чувствительные клетки, которые находятся в глубине носа. Отдельные частички различных веществ проникают в нос вместе с воздухом, который мы вдыхаем. Так мы получаем обонятельные ощущения.
Всё, что попадает к тебе в рот, имеет какой-нибудь вкус: сладкий, кислый, солёный или горький. 
Эти вкусовые ощущения возникают при помощи органа вкуса — вкусовых почек. Они находятся на языке. Кончик языка лучше всего чувствует сладкое. Стоит только лизнуть мороженное, и сразу узнаешь его вкус. Края языка чувствительны к кислому, а его основание — к горькому.
Вкусовые ощущения сильно зависят от обонятельных. При сильном насморке любое, даже самое любимое блюдо, кажется безвкусным.
Всё наше тело покрыто кожей. Она дает нам ощущения прикосновения, холода, тепла, боли. Все эти ощущения называются осязательными или кожными.
Теперь ты знаешь, что зрительные, слуховые, обонятельные, вкусовые и осязательные ощущения рассказывают нам о разнообразных свойствах окружающих вещей.
Попробуй зажать пальцами нос и после этого возьми в рот жевательную резинку. Сможешь ли ты определить ее вкус?
Ощущения внутри нас
Но есть и другие ощущения. Они сигнализируют нам о том, что происходит внутри нашего тела.
Ты целый день двигаешься: ходишь, бегаешь, прыгаешь, пишешь или собираешь модель из конструктора. Ты даже не задумываешься о том, как работают при этом твои руки, ноги, пальцы или все туловище. Но если ты согнёшь руку с закрытыми глазами, то легко сможешь определить ее положение. Об этом тебе сообщат двигательные ощущения.
Когда ты ощупываешь руками предмет, к двигательным ощущениям присоединяются кожные. Это называется осязанием.
Ты, наверное, помнишь, как трудно было в первый раз проехать на двухколёсном велосипеде, роликах, коньках или лыжах. Сложнее всего тебе было удержать равновесие и не упасть. Ощущение равновесия дает нам орган, расположенный во внутреннем ухе. Он похож на раковину улитки и называется лабиринтом.
При повреждении лабиринта человек не может ни стоять, ни сидеть, ни ходить, он будет всё время падать.
Очень важным видом ощущений являются органические ощущения. Такое название им дали потому, что они рассказывают нам о работе нашего организма, наших внутренних органов — пищевода, желудка, кишечника и многих других. Пока ты сыт и здоров, ты вообще не замечаешь никаких органических ощущений. Они появляются только тогда, когда в работе организма что-нибудь нарушается. Например, если ты съешь что-нибудь не очень свежее, то нарушится работа твоего желудка, и ты сразу же это чувствуешь: появится боль в животе.
Голод, жажда, тошнота, боль — вот что такое органические ощущения. Если бы их не было, мы не могли бы вовремя распознать какую-нибудь болезнь и помочь своему организму справиться с ней.
1. Закрой глаза и попробуй принять те позы, которые тебе будет называть твой друг. Например, можно встать в позу «ласточки», сесть «по-турецки», изобразить кошку или какое-нибудь другое животное.
2. Покружись немного на одном месте, а потом попытайся пройти по нарисованной мелом прямой линии (или подоске ковра). Удалось ли тебе сохранить равновесие? Почему?
3. Представь себе, что ты возвращаешься домой с прогулки и еще с порога говоришь маме, что хочешь есть. А как ты узнаешь, что хочешь именно есть, а не спать?
Всё ли мы ощущаем
Далеко не всё, что действует на наши органы чувств, вызывает у нас ощущение. Мы не ощущаем прикосновения падающих на нашу кожу пылинок, не слышим с другого конца комнаты тиканья часов. Мы не чувствуем слабых запахов, которые хорошо улавливает идущая по следу собака.
Для того, чтобы у нас возникло ощущение, приходящий к органам чувств сигнал должен быть достаточно сильным. Попробуй провести такой простой опыт. Включи музыку так, чтобы поначалу ее вообще не было слышно. Постепенно увеличивай громкость до тех пор, пока не услышишь тихие, едва уловимые звуки.
Значит, звук как будто преодолел границу твоей чувствительности, тот порог, за которым ты его не слышал.
В мире нет совершенно одинаковых людей, поэтому и восприимчивость органов чувств у всех немного разная. Один человек может заметить совсем слабый, тусклый свет, а для другого этот свет должен быть чуть ярче.
Представь себе, что ты и твой друг участвуете в научном опыте. Вам на голову надели наушники и дали задание: внимательно слушать и поднять руку, как только в наушниках раздастся тихий звук. Сначала было очень тихо, а потом ты услышал слабый-слабый писк и сразу же поднял руку. Через две секунды поднял руку и твой друг.
Ты услышал слабый сигнал первым, значит, слуховой анализатор у тебя оказался более чутким, чем у друга. А на сколько? Можно ли это как-нибудь измерить и сравнить? Конечно, можно. Специальный прибор точно записывает, какова была сила действия звука в тот момент, когда каждый из вас смог его услышать.
Эту самую маленькую силу действия сигнала на твои органы чувств, которую они уже способны уловить, называют порогом ощущения.
Пороги ощущения у всех людей немного различаются. Но даже у одного и того же человека пороги ощущения могут изменяться. Часовой, который ночью стоит на посту, может уловить почти неслышимые звуки, потому что он очень внимательно ко всему прислушивается. Однако в другое время, например, днём, тот же самый часовой может и не услышать тихих звуков, потому что теперь ему помогает еще и зрение. Он не только внимательно слушает, но и наблюдает за всем, что происходит вокруг. Поэтому порог его слуховой чувствительности временно изменился.
1. Что такое порог ощущения?
2. Почему мы не ощущаем, как на нас садятся пылинки?
3. Собака бежит к входной двери ещё до того, как в неё позвонят, а её хозяин и звонок не всегда сразу услышит. В чем разница между слухом собаки и её хозяина?
Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).
Механическое удерживание земляных масс: Механическое удерживание земляных масс на склоне обеспечивают контрфорсными сооружениями различных конструкций.
Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим.
Что мы знаем о Солнце
Самая детально изученная звезда – это наше Солнце. Оно весьма полезно для нас: без него не было бы жизни на Земле. Но что мы узнали про Солнце за всю историю его наблюдений?
Из предыдущей лекции мы знаем, что Солнце очень большое: по диаметру в 10 раз крупнее самой большой планеты нашей системы – Юпитера, и почти в 110 раз крупнее Земли. А по массе Солнце с Юпитером различаются почти в 10³ = 1000 раз, поскольку их плотность примерно одинаковая, около 1,5 г/см³ – это чуть больше, чем у морской воды, т. е. привычная для нас величина. Но надо понимать, что это среднее значение по всему объёму: на поверхности Солнца плотность газа намного меньше, а к центру она нарастает так, что становится в 20 раз больше, чем у железа.
Как смотреть на Солнце
Мы ощущаем Солнце благодаря его излучению. А какова его полная мощность? Если поместить Солнышко в точку фокуса гигантского космического рефлектора и тем самым сконцентрировать всю его световую мощь на Землю, то через 4 минуты все наши океаны не просто закипели бы, они бы полностью выкипели в космическое пространство. Представьте: всего 4 минуты – и нет больше воды на Земле, вот что такое солнечное излучение. А через 10 суток испарился бы весь земной шар.
К счастью, на нас попадает не всё солнечное излучение, а его микроскопическая доля, поэтому Земля и жизнь на ней не сильно от него страдают. Но учтите: прямой солнечный свет очень опасен для зрения. Конечно, можно на мгновение глянуть – и сразу же отвести взгляд. Но лучше этого не делать. Даже если вы собираетесь наблюдать за солнечным затмением, то смотреть на него длительно без тёмных очков нельзя. И очки нужны не пляжные, а специальные, с очень плотной светозащитной плёнкой, которая примерно в тысячу раз ослабляет световой поток; в таком случае ваша сетчатка от наблюдения не пострадает.
А если вы решили наблюдать Солнце в телескоп, то запомните, что дело это крайне опасное. Телескоп собирает свет огромным объективом и весь его направляет в ваш глаз. Астрономы шутят, что на Солнце в телескоп можно посмотреть лишь дважды в жизни: один раз – правым глазом, а второй раз – левым. На мгновение глянул в окуляр – и всё, капут. Чтобы этого избежать, сделали специальный окуляр с зеркальцем, которое отбрасывает 99,99% света вбок, отводя его в ту часть обсерватории, где людей не должно быть. А в глаз попадает совсем чуть-чуть света, и тогда можно безопасно смотреть на солнечную поверхность.
Но если вам когда-нибудь придётся подсесть к окуляру большого телескопа, учтите, что это не совсем безопасно: обратите внимание, что параллельно его оси имеется маленький телескопчик – своеобразный оптический прицел, называемый гидом или искателем, у которого свой окуляр. В школьные годы в такой телескоп я наблюдал Солнце в проекции на белом экране (это очень удобный и безопасный способ) и однажды забыл закрыть объектив искателя. Внезапно, почувствовав запах горелого, я догадался и моментально отпрыгнул от телескопа. А потом долго ходил в пальто с прожжённой на спине дырой. Так что даже небольшой телескоп, сфокусировав на вашей спине лучи Солнца, может сильно вам навредить.
Проще всего наблюдать Солнце вообще без телескопа. Берёте маленький листочек бумаги или картонки, протыкаете в нём дырочку иголкой – и получившаяся камера-обскура даёт вам геометрически точный портрет Солнца. Люди таким способом наблюдают затмение, не рискуя.
Если у вас есть небольшая подзорная труба без специальных светофильтров, то можно, удобно расположив у окуляра экран, спроецировать на него изображение. По мере того, как Луна «наползает» на Солнце, с экрана вы фотографируете фазы затмения безопасно для глаз.
Что видно на Солнце
Глядя на нашу родную звезду с Земли, мы видим хорошо оформленный круг фотосферы, можем измерить его диаметр. Присмотревшись, замечаем любопытный эффект потемнения к краю: в центре солнечный диск ярче, чем по краям. Это легко объяснимо: в середине наш взгляд протыкает солнечную атмосферу перпендикулярно и уходит вглубь, в горячие слои, вплоть до предела прозрачности, в то время как на видимом крае (его называют лимбом) луч зрения проходит только сквозь верхние слои атмосферы, а они более холодные и поэтому менее яркие.
Поверхность Солнца не столь однородна, как кажется на первый взгляд: на светлом фоне мы замечаем какие-то пятнышки. Причём если день ото дня фотографируем или зарисовываем Солнце, то отметим перемещение этих пятен. Делаем вывод, что, во-первых, Солнце вращается, а во-вторых, на Солнце не все области имеют одинаковую температуру: если обычная температура – около 6000 K, то пятна явно холоднее – до 4000 K, как показывают измерения. Вроде бы разница невелика, но вспомните, что лучеиспускательная способность пропорциональна 4-й степени температуры. Кроме того, спектр смещается из области видимого света в инфракрасный диапазон, а инфракрасные лучи хуже проходят сквозь земную атмосферу и хуже фиксируются фотоприемниками, поэтому пятна выглядят такими чёрными.
Размер солнечных пятен невероятен. Бывают пятна в несколько раз больше земного шара. Пятна окружены яркой поверхностью фотосферы, где постоянно всплывают горячие потоки газа. На их фоне явно выделяются более холодные пятна, причём с градацией яркости: астрономы говорят, что у солнечного пятна есть «тень» (амбра) и «полутень» (пенамбра). Пятно стабильно, потому что мощное магнитное поле препятствует горизонтальному перемешиванию в нём газа. Частицы горячего газа ионизованы, по существу это плазма, которая в магнитном поле движется своеобразно: вдоль силовых линий может, а поперёк – нет, поэтому циркуляция вещества в поперечных направлениях заторможена.
Когда мы изучаем фотосферу Солнца с сильным увеличением, то и помимо пятен обнаруживаем много чего любопытного. Сейчас появилось новое поколение телескопов, в том числе и на спутниках, летающих за пределами атмосферы Земли, так что теперь мы можем наблюдать структуру поверхности очень детально. Оказывается, что даже спокойная, невозмущённая фотосфера не однородна, она вся состоит как бы из зёрнышек, гранул. Размер этих гранул – порядка угловой секунды, что соответствует примерно тысяче километров. Это гигантские потоки плазмы, которые с околозвуковой скоростью выныривают из недр Солнца, остывают и уходят вниз. А в пятнах происходит «водопад»: охлаждаясь, вещество вдоль силовых магнитных линий устремляется вниз, но снизу поток тепла подходит не такой интенсивный. Поэтому вещество охлаждается всё сильнее и сильнее и на контрасте с яркой поверхностью становится для телескопа тёмным, практически чёрным.
Как работает Солнце
Внутреннее строение Солнца мы себе представляем так: есть центральная часть, или ядро, в котором температура выше 5 млн градусов, а в самом его центре – примерно 15 млн. Это источник энергии, там идут термоядерные реакции, а выделяющаяся при этом энергия переносится наружу. В звёздах эффективно работают два механизма переноса.
Из внутренней, высокотемпературной части перенос энергии осуществляется в основном квантами излучения, фотонами. Вещество лежит слоями, практически не перемешиваясь, а кванты из ядра сквозь него диффундируют к более холодной поверхности. Квантов там много, плотность их отнюдь не маленькая, и продвигаются они очень медленно. Дело в том, что плазма настолько непрозрачна для света, что родившемуся в ядре электромагнитному кванту, который движется со скоростью света, чтобы выбраться на поверхность и улететь в открытое пространство, требуется порядка ста тысяч лет.
На какой-то глубине плотность и температура квантов уменьшаются настолько, что они становятся не в состоянии обеспечить перенос всей энергии, которая выделяется в ядре. И тут в дело переноса энергии вступает уже конвекция, перемешивание вещества: горячие потоки газа всплывают, охлаждаются, становятся менее тёплыми и тонут. Как в кастрюльке, если воду подогреваем на плитке, она бурлит.
В природе есть и третий механизм переноса энергии – теплопроводность: в твёрдом теле молекулы колеблются и друг друга толкают, происходит кинетическая передача тепла. Этот процесс внутри Солнца тоже имеет место, но роли практически не играет. Однако есть звёзды, в которых теплопроводность является основным способом переноса, это белые карлики.
Современным телескопам на космических аппаратах не мешает атмосфера Земли, они намного детальнее показывают нам структуру поверхности Солнца, и иногда мы видим странные вещи: яркие точки на границах отдельных конвективных ячеек. Космические снимки получаются очень качественные, с высоким угловым разрешением. Раньше, всего лишь лет десять тому назад, в наземные телескопы мы не могли этого явления заметить. Теперь же мы понимаем, что бурление газа выносит не только горячие слои вещества, но вместе с ними и магнитное поле, «вмороженное» в потоки плазмы. В соседних ячейках с обеих сторон выходящие на поверхность потоки несут свои магнитные поля друг к другу. Встречаются два потока газа, на линии их соприкосновения магнитные силовые линии уплотняются, и плотность энергии магнитного поля, пропорциональная квадрату его напряжённости, нарастает. На изображениях, полученных при моделировании, и на прямых снимках Солнца видно, что на границе конвективных ячеек температура выше. Этот локальный разогрев происходит потому, что часть магнитной энергии переходит в тепловую энергию газа. На этом принципе основаны многие наземные приборы. Так, в некоторых термоядерных реакторах, которые сейчас конструируют, способом нагрева плазменного потока служит его «обжимание» магнитным полем, так называемый пинч-эффект.
Хотя космические телескопы, например, американский спутник «Солнечная динамическая обсерватория» (Solar Dynamic Observatory), действительно показывают нам намного более детальные изображения, но не это главное. Важнее то, что с помощью заатмосферных обсерваторий мы регистрируем гораздо больший спектральный диапазон: можно получить отдельно рентгеновский, ультрафиолетовый, инфракрасный портреты Солнца. Рассматривая последовательную серию этих фотографий, мы прежде всего замечаем, что площадь, занятая на диске Солнца пятнами, их количество и плотность меняются. Иногда их нет совсем или мало, а иногда их много и они большого размера. Это регулярное явление, открытое ещё в XVII веке, называют солнечной активностью, по сути это и есть активность процессов во внешнем слое Солнца, а пятна – её индикатор. Активность Солнца проявляется не только зримо, но и в его радиоизлучении, и в корпускулярном излучении, и в рентгеновском, которые тоже меняются год от года.
Рядом с пятном можно различить светлые прожилки, их обычно называют факелами. Физикам это явление тоже должно быть понятно: горячая плазма не смогла прорваться в область пятна, магнитное поле её туда не пустило, но ей надо куда-то деваться – и она прорывается рядом. Такими факелами окружено каждое пятно, но по краям Солнца они выглядят более контрастно.
С начала XVII века, когда Галилей начал наблюдать Солнце, ведётся хронология солнечной активности. На графике, демонстрирующем изменение во времени числа пятен или их общей площади, довольно чётко соблюдается периодичность: примерно 11,5 лет отделяет каждый максимум солнечной активности от последующего, т.е. периоды активности можно прогнозировать. Это важно, потому что в эпоху высокой активности Солнце представляет опасность, особенно для космической техники: чаще возникают неполадки, плотнее становятся верхние слои земной атмосферы, и т.п.
С середины XVII по начало XVIII века (в так называемый минимум Маундера) на Солнце вообще не отмечалось пятен, вспышек, мощных потоков газа, а на Земле это отозвалось малым ледниковым периодом. На старых голландских картинах изображали, что люди катались по каналам на коньках, в то время это было распространённой забавой. А попробуйте сейчас зимой поехать в Голландию: каналы не замерзают, а если иной раз и замерзнут на неделю, то никто на такой лёд не решится выйти.
Когда мы фотографируем не в широком диапазоне излучения, а выделяем из всего спектра одну узкую спектральную линию, получаются довольно интересные портреты. Например, если наблюдать Солнце сквозь интерференционно-поляризационный фильтр, который пропускает свет только в окрестности линии Hα (соответствующей переходу электрона в атоме водорода со 3-го на 2-й энергетический уровень), то на фоне однородной поверхности солнечного диска видны яркие области, в которых водород интенсивно излучает, и тёмные – в которых он поглощает. Понятно, что яркие области более горячие. Но откуда берутся тёмные? Это взвиваются фонтаны газа, которые висят некоторое время над поверхностью Солнца, поддерживаемые магнитным полем. Их называют протуберанцами, это относительно холодные и плотные водородные облака, плавающие в разреженной и горячей солнечной атмосфере, и они частично поглощают свет, идущий с поверхности.
И совсем фантастическим Солнце выглядит в отдельных линиях ультрафиолетового диапазона, но такие портреты получаются только со спутников: до поверхности Земли излучение длиной волны менее 300 нанометров не доходит. В белом свете Солнце кажется спокойным, но в линии излучения ионизованного железа та же самая поверхность выглядит совсем по-другому.
На синтетическом портрете, сложенном из нескольких спектральных линий, многое можно увидеть одновременно: тут и активные области, и выбросы-протуберанцы, и потоки газа в солнечной короне, и отдельные яркие точки, которых раньше не замечали вообще. Такие снимки рассказывают нам о том, как функционирует эта звезда на поверхности.
Особенно интересно получается, если делать снимки непрерывно и потом складывать из отдельных кадров «мувики». Так, один из старейших орбитальных телескопов, SOHO, уже 20 лет летает в космосе и несколько раз в час фотографирует Солнце через фильтр, пропускающий линии излучения водорода. Просматривая серии таких снимков, мы видим вспышки и протуберанцы в развитии, а также вращение звезды.
Солнце вращается не особенно быстро: примерно за 27 суток оно делает один оборот вокруг своей оси. Но есть звёзды, которые оборачиваются за несколько часов. Причина медленного вращения Солнца в том, что в процессе формирования нашей Солнечной системы планеты «отобрали» у своей звезды момент импульса, так что полный момент Солнечной системы в основном принадлежит планетам и складывается из их орбитального движения, прежде всего – движения массивного Юпитера. Поэтому, если мы видим, что какая-то звезда быстро вращается, то планет у неё, скорее всего, нет.
Детальный снимок окрестности солнечного пятна, сделанный в области одной спектральной линии ионизованного железа, хорошо показывает структуру магнитного поля. Подобно тому, как насыпанные на картонку железные опилки при поднесении снизу магнита выстраиваются вдоль силовых линий магнитного поля, так же точно ориентируются и потоки плазмы вокруг пятен, представляющих собой магнитные полюса. Таким образом, мы можем непосредственно изучать магнитные поля и поведение газа в этих магнитных полях. Поля там неслабые, порядка тысячи гауссов. В принципе, можно и на Земле такую напряжённость получить, но это нелегко. А тут у нас, можно сказать, бесплатная физическая лаборатория, в которой можно наблюдать и изучать магнитную газодинамику.
Как правило, протуберанцы спокойные. Они приподнимаются магнитным полем, ещё немножко свет на них снизу давит, т.е. получается магнитная ловушка, в которой висит плазменное облако, остывает – и тогда мы его видим. Иногда газ всё-таки покидает поверхность Солнца, и его потоки устремляются из фотосферы в более высокие слои атмосферы – хромосферу и корону. Корону мы видим редко, потому что она хоть и очень горячая, более миллиона градусов, но очень разрежена и поэтому света даёт мало. Только во время солнечного затмения, когда солнечный диск закрыт Луной, мы замечаем, что у Солнца атмосфера очень протяжённая и динамично меняющаяся: потоки газа вырываются из неё довольно интенсивно. На хороших снимках солнечного затмения мы прослеживаем корону очень далеко. И она каждый раз разная, потому что меняется активность в разных областях Солнца.
А теперь сопоставьте известные вам данные: поверхность Солнца нагрета всего до 5—6 тысяч градусов, но отходим дальше в холодный космос – и вдруг миллионы градусов. Странная картина, правда? Вроде бы тепло течёт от нагревателя к холодильнику, а поверхность Солнца – это и есть холодильник по сравнению с ядром. Что туда приносит энергию, что нагревает корону?
Бывает, что облако выбрасывается со второй космической скоростью, это называют «корональные выбросы массы», которые летят в разные стороны. Если комета сталкивается с таким выбросом, у неё хвост может оторвать. Правда, тут же новый, как у ящерицы, вырастет, потому что она постоянно испаряется. Налетают солнечные выбросы и на Землю. Когда такое плазменное облако на нашу атмосферу обрушивается, мы наблюдаем полярное сияние. Для нас эти события важны, поэтому за солнечными чудесами сегодня следит множество спутников. Полярное сияние также возникает и на Юпитере, и на Сатурне.
Солнце, как и всё в этом мире, не вечное. О том, сколько ему (и Земле) осталось существовать, – на следующей лекции.