Погода интересует всех

Солнце

В 1370 г. до н. э. египетский фараон Аменхотеп IV объявил войну египетским божествам и провозгласил единственным властителем вселенной бога Солнца. Символом нового божества стал солнечный диск с лучами в форме рук. Позднее Аменхотеп, взяв себе имя Эхнатон, что значит «сияние Солнца», построил богу Солнца огромный храм. В песнопениях египтян превозносилось величие Солнца и говорилось: «… твои лучи обнимают все страны, ты побеждаешь их своей любовью, ты далеко, но твое благословение с нами».

Аменхотеп приказал изготовить барельеф, на котором он сам и его жена Нефертити изображены в момент жертвоприношения богу Солнца.

Давно уже прошли те времена, когда обожествлялись силы природы, а культ Солнца был государственной религией. Однако существование этого культа говорит нам о том, что уже древним египтянам было известно огромное влияние Солнца на всю живую и неживую природу.

Со времени возникновения земной шар успел настолько сильно охладиться, что в настоящее время температура его поверхности и атмосферы почти полностью определяется поступающей к Земле солнечной радиацией. Солнце является почти единственным источником энергии для нашей планеты, в особенности для ее атмосферы. Имея температуру поверхности около 6000°, Солнце непрерывно излучает в космос радиацию. Человек видит только световую часть солнечной радиации. Участки спектра, которые характеризуются более длинными или более короткими волнами, чем световые, для человека невидимы. Длинноволновая, инфракрасная, радиация имеет особенно большое значение для различных биологических процессов, а коротковолновая, ультрафиолетовая, — для фотохимических реакций, происходящих главным образом в высоких слоях атмосферы.

Солнечную радиацию, поступающую на верхнюю границу атмосферы, называют внеземной солнечной радиацией. При прохождении через земную атмосферу часть этой радиации превращается в тепло. Существенное ослабление солнечных лучей происходит в озоносфере, которая поглощает главным образом коротковолновую их часть. Почти все участки солнечного спектра ослабляются молекулами атмосферных газов, особенно различными пылевыми частицами, взвешенными в атмосфере. Однако львиную долю всей радиации, и прежде всего инфракрасного участка ее спектра, поглощает водяной пар, содержащийся в атмосфере. Несмотря на ослабление в атмосфере, все же при большой высоте солнца около ²/₃ всей внеземной солнечной радиации доходит до земной поверхности. При малой высоте солнца доля внеземной радиации, доходящая до поверхности земли, уменьшается до нескольких процентов. Это объясняется тем, что при низком положении солнца его лучи проходят в атмосфере гораздо больший путь, чем при высоком его положении. Поэтому и ослабление радиации при малых высотах солнца тоже оказывается более сильным и зависит от количества примесей в атмосфере, таких как водяной пар и пыль.

Некоторые отдыхающие считают, что они смогут особенно сильно загореть в ясные солнечные дни. Но это далеко не так. Если в области антициклона воздух окажется запыленным, то как раз та часть солнечной радиации, которая обусловливает загар, т. е. ультрафиолетовая радиация, может оказаться очень ослабленной. Наоборот, в очень чистом, хотя и холодном арктическом воздухе даже сравнительно кратковременное облучение солнцем может вызвать ожог кожи.

Когда в период МГГ были организованы систематические наблюдения за солнечной активностью, это было не капризом нескольких ученых, а общим требованием мировой науки. В 50 астрономических и геофизических обсерваториях мира велись непрерывные наблюдения за солнцем, солнечными пятнами, вспышками, факелами, протуберанцами и т. п. Специальные фотокамеры через каждые несколько секунд фиксировали происходящие на Солнце изменения.

Около двух десятилетий тому назад стал известен еще один вид радиации, излучаемой Солнцем, а именно радиоизлучение. Это электромагнитная энергия с длинами волн от нескольких миллиметров до дециметров, которая на земной поверхности может восприниматься большими радиотелескопами. Видимая часть солнечной радиации возникает в фотосфере Солнца, а радиоизлучение — в короне, т. е. во внешней оболочке Солнца.

Результаты наблюдений за явлениями, происходящими на Солнце, собираются в нескольких региональных центрах и в едином Мировом центре. Этот центр непрерывно снабжает информацией геофизические и другие заинтересованные организации. С 1956 г. в институте имени Фраунгофера во Фрейбурге ежедневно строятся карты явлений, происходящих на Солнце. На этих картах обобщаются данные о Солнце, полученные астрономическими обсерваториями всего земного шара. В настоящее время уже не вызывает сомнений наличие тесной связи между солнечной активностью, колебаниями ионосферы и возмущениями земного магнитного поля. Однако остановимся на вопросе о том, влияют ли изменения, происходящие на Солнце, на ход погодных процессов.

Американский метеоролог и геофизик Ч. Аббот сделал важное открытие. Он установил, что поток энергии, непрерывно направляющийся от Солнца к Земле и вызывающий возникновение суточного и годового хода температуры воздуха у земной поверхности, в действительности не постоянен, а все время изменяется. По мнению Аббота, в колебаниях интенсивности потока солнечной радиации имеется почти недельная периодичность. Аббот пытался сопоставить с этими колебаниями солнечной радиации ряд изменений метеорологических явлений.

Статистический анализ подтвердил существование связи между числом дней с малой интенсивностью солнечной радиации и возникновением тайфунов в тропических широтах. Исследование этой связи проводилось для тех лет, для которых имелись надежные данные. Статистически подтвердилось также существование взаимосвязи между периодами усиления и ослабления интенсивности солнечной радиации, с одной стороны, и крупномасштабными изменениями поля температуры в определенных районах Северной Америки — с другой. Многие ученые пытались обнаружить связь между числом солнечных пятен и наступлением периодов с выпадением обильных осадков. Выяснилось, что в дни со слабой солнечной активностью, когда через центральный меридиан Солнца проходит всего лишь одна группа солнечных пятен, интенсивность грозовой деятельности на Земле увеличивается примерно на 20 %. Однако эта связь не обнаруживается в годы с очень большим числом солнечных пятен. Поводом к изучению влияния Солнца на погоду явилась известная уже более двухсот лет 11-летняя периодичность в появлении солнечных пятен. Однако влияние Солнца на погоду, по-видимому, гораздо сложнее, чем это предполагалось, ибо до настоящего времени не удалось обнаружить ни 11-летнего цикла осадков, ни 11-летней волны в колебаниях температуры воздуха.

Наряду с отдельными явлениями погоды, развивающимися через несколько дней после усиления солнечной активности, существовали также и другие изменения, имеющие солнечное происхождение, но характеризовавшиеся уже не 11-летним, а гораздо более длинным периодом. Речь идет о колебаниях климата в ледниковые периоды и в другие геологические эпохи Земли. Естественно, что, поскольку никаких метеорологических измерений в то время не производилось, о причинах изменений климата в те далекие времена можно высказывать лишь гипотезы. Современные изменения в воздушном океане, имеющие как короткие, так и продолжительные периоды и связываемые с процессами, происходящими на Солнце, являются лишь математически установленными реальностями. Это значит, что обнаружены лишь статистические связи между явлениями, но не вскрыты физические механизмы, обусловливающие эти связи.

Однако на Земле протекают тысячи процессов, характеризующихся одинаковой цикличностью, хотя причины этой цикличности совершенно различны. Успешные запуски искусственных спутников Земли в Советском Союзе и в США создают предпосылку для более детального изучения механизма связи между солнечными явлениями и земными процессами. Для этого необходимы систематические измерения потоков энергии на верхней границе атмосферы, в стратосфере и на земной поверхности.

Уже говорилось о том, что атмосферу можно рассматривать как тепловую машину, работающую на солнечной энергии. Все явления погоды можно в конечном счете объяснить различными преобразованиями солнечной энергии в атмосфере. Но многие детали этих энергетических преобразований все еще неизвестны. Облучение земной поверхности солнечной радиацией приводит к непрерывным колебаниям теплосодержания верхних слоев почвы и водоемов, а также и к постоянному перераспределению масс на Земле. Под перераспределением масс мы понимаем воздушные и морские течения, имеющие огромное значение и для процессов формирования погоды. Колебания потока Гольфстрима и сезонные перемещения пояса западных воздушных течений, переносящих колоссальные объемы воды и воздуха, вызваны контрастами температуры, которые в свою очередь определяются различиями в интенсивности солнечной радиации. Таким образом, механизм перераспределения масс действительно оказывается очень сложным. На основе одних лишь измерений продолжительности солнечного сияния на земной поверхности еще невозможно установить, каким образом на режиме ветра и температуры воздуха сказывается различие в солнечной радиации, получаемой разными районами земного шара.

В связи с этим возникает вопрос: существует ли возможность непосредственного использования человеком солнечной энергии?

На Всемирном энергетическом конгрессе в Вене, состоявшемся в 1956 г., были приблизительно определены запасы различных форм энергии, имеющейся в распоряжении человечества. При этом было установлено, что мировое потребление энергии в 1954 г. составило 1345 биллионов квт-ч. Трудно даже представить себе, какое колоссальное количество каменного угля должно сгореть в кочегарках для выработки необходимой электроэнергии. Солнце же дает нам в год 13 000 000 000 000 000 квт.-ч. энергии, так что годовой расход электроэнергии всеми странами мира мог бы быть покрыт солнечной радиацией всего за 1,5 суток, если бы мы умели полностью превращать ее в электрический ток. При этом следует учесть, что земной шар перехватывает лишь 1/2,2-миллиардную долю солнечного излучения. Поскольку, однако, солнечная радиация поступает на земной шар не в виде узкого пучка, а равномерно распределяется по всей поверхности, то она не может быть использована так же просто, как, скажем, каменный уголь или нефть, сконцентрированные в сравнительно немногих местах. Залежи каменного угля тоже представляют собою «накопленную» солнечную энергию, причем процесс ее накопления шел довольно медленно. За миллионы лет каменноугольного периода оказалось накопленным лишь такое количество энергии, которое Солнце доставляет нам всего за 30 лет.

В прошлые века делалось много попыток непосредственно использовать солнечную энергию. В странах Востока теплом солнечных лучей издавна выпаривали соли из морской воды. В других районах земного шара с помощью дистилляторов, обогревавшихся солнечными лучами, из соленой морской воды добывали пресную воду, пригодную для питья. Такой дистиллятор был устроен, в частности, в Лос-Салинасе (Чили) в 1872 г. В стеклянном корпусе этого прибора помещалась зачерненная металлическая кювета, в которую тонким слоем наливалась соленая вода. Под воздействием солнечных лучей вода испарялась, а образовавшийся пар конденсировался на наклонно установленных стеклах, с которых дистиллированная вода стекала в приемные сосуды. С каждого квадратного метра стекол удавалось ежедневно получать 5 л пресной воды.

Роса на концах травинок — результат конденсации водяного пара, содержащегося в атмосфере.

Еще в прошлом веке были построены солнечные электростанции. Одна из таких станций перед первой мировой войной работала в Меади (Египет). Параболические зеркала этой станции направляли солнечные лучи на котел. Котел вырабатывал пар, приводивший в движение машину мощностью 60 лошадиных сил. Во время войны эта станция была разрушена. В более позднее время усовершенствованные солнечные силовые установки были построены в Советском Союзе. Их зеркала состояли из «селективных»[23] черных поверхностей, поглощающих значительную часть падающих на них солнечных лучей, но в то же время излучающие сравнительно небольшое количество длинноволновой радиации. Коэффициент полезного действия такой установки составлял 11 %. В некоторых странах в настоящее время продолжают использовать солнечную энергию для выработки пара, питающего паровые машины и турбины, но поскольку коэффициент полезного действия таких установок все еще остается довольно низким, то чаще предпочитают использовать вместо солнечной другие виды энергии.

Миниатюрными солнечными силовыми установками являются солнечные кипятильники, широко распространенные в южноазиатских странах. В фокусе вогнутого зеркала помещают котелок или кастрюлю, в которых варят суп или рис. Однако жители Индии обычно бывают не очень довольны своими солнечными кипятильниками, так как аппетит у индусов разыгрывается к вечеру.

В Мон-Луи, в Пиренейских горах, на протяжении многих лет используется параболическое зеркало для нагревания плавильной печи. Это зеркало состоит из 3500 мелких зеркал, имеет диаметр 11 м. В фокусе удается получить температуру около 3600°. Это выше температуры электрической дуги.

В последние годы с открытием полупроводников появилась возможность непосредственного преобразования солнечных лучей в электрический ток. При этом может быть достигнут очень высокий коэффициент полезного действия. Приборы третьего советского искусответного спутника Земли более года питались током, который вырабатывали солнечные батареи.

Однако количество солнечной энергии, преобразованное в тепло и электрический ток, совершенно ничтожно по сравнению с тем колоссальным количеством тепла, которое получает земная поверхность в результате поглощения падающих на нее солнечных лучей. Энергия всего лишь одного тропического циклона, в котором только ничтожная часть солнечной энергии перешла в тепло и механическую работу, равняется энергии 250 000 атомных бомб типа бомбы, сброшенной на Хиросиму. А ведь эта бомба обладала мощностью в 2 000 000 квт. Или другой пример: для обеспечения годовой суммы испарения с поверхности земли необходимо количество солнечной энергии, которое в 10 раз превышает энергию, скрытую во всех известных сейчас залежах каменного угля.

А как обстоит дело с потерей энергии Солнцем? Происходит ли постепенное его остывание?

Ответ на этот вопрос смогла дать современная атомная физика. В центральной части Солнца происходит превращение водорода в гелий, причем из 1 г водорода получается 0,993 г гелия и выделяется 175 000 квт.-ч. энергии. При этом каждый раз излучается около 0,7 % массы одного атома водорода, находящегося на Солнце, а это значит, что Солнце каждую секунду теряет 4 150 000 т своего вещества. Однако расчеты показали, что если интенсивность излучения радиации Солнцем сохранится, то за миллиард лет лишь 1 % солнечного водорода превратится в гелий. Из этого следует, что для сколько-нибудь существенного остывания Солнца необходим невообразимо колоссальный промежуток времени.