Солнце-источник жизни на Земле

Наше Солнце – это термоядерный взрыв, который длится вот уже несколько миллиардов лет. Благодаря крохам его энергии, долетающей до Земли, на нашей планете существует жизнь.

Потоки энергии, образовавшиеся в центре Солнца благодаря термоядерному синтезу, достигают его поверхности через миллионы лет. Поверхность нашего светила напоминает суп, кипящий в глубокой кастрюле. Из его недр постоянно поднимаются гигантские потоки газа, нагретого почти до 6 тысяч градусов. Диаметр таких «газовых столбов» достигает 20-50 тысяч километров. Между ними могут располагаться чуть менее нагретые области, с температурой около 4300°С. На более ярком фоне наблюдателю с Земли они кажутся тёмными пятнами. Поверхность Солнца можно увидеть, если смотреть на него через закопчённое стекло (смотреть на Солнце без защиты нельзя – можно повредить зрение и обжечь глаза). С помощью телескопов со специальными фильтрами на поверхности Солнца можно наблюдать огромные факелы раскалённого газа – протуберанцы. Высота некоторых из них достигает десятков и даже сотен тысяч километров.

Видимый свет несёт лишь часть энергии, которая долетает от Солнца до Земли. Глаз человека не воспринимает ни инфракрасные, ни ультрафиолетовые солнечные лучи. Раскалённый докрасна шар скоро перестаёт светиться, но он ещё долго остаётся горячим, испуская невидимые инфракрасные (тепловые) лучи. Ультрафиолетовые лучи гораздо более опасны. От ультрафиолетовой радиации Солнца нас защищает слой газа озона, расположенный на высоте 20-25 км над поверхностью Земли.

Солнце является единственным источником энергии, которая поступает к нашей планете из космического пространства. Каждую секунду на поверхность Земли, Солнце изливает энергию, для выработки которой, по подсчётам учёных, потребовалось бы 150 миллионов мощных электростанций. Откуда берётся этот невообразимый океан солнечной энергии, который не иссякает сотни миллионов лет? И тут же в мыслях каждого из нас возникает вопрос: «А может ли человек, подобно растениям, использовать такое огромное количество энергии в своих целях?» Для того чтобы ответить на поставленный вопрос мы должны разобраться из чего же именно состоит Солнце, как солнечная энергия доходит до нашей планеты и какое место она занимает в нашей жизни и жизни многих людей.

В поисках ответов на эти вопросы я использовала разнообразные справочники, но больше всего в моей работе мне помогла книга «Популярная астрономия», написанная Камиллом Фламмарионом. Автор утверждает, что астрономия, как и другие науки, полезна не только тем, что она объясняет явления природы, но и тем, что она помогает её изменять, помогает заставить её служить человеку.

Таким образом, прежде чем ответить на вопрос, как человек может использовать энергию Солнца в своих целях, нужно выяснить, как солнечная энергия доходит до нашей планеты, каковы основные характеристики Солнца.

Строение Солнца

Солнце – центральное тело Солнечной системы, хотя вместе с окружающими звёздами оно представляет лишь ничтожную часть гигантского коллектива звёзд и туманностей, которые мы называем Галактикой. Солнце представляет собой раскалённый пламенный шар. Солнце – ближайшая к Земле звезда. Масса Солнца 1,990*10³°кг (в 330 тыс. раз больше массы Земли). В Солнце сосредоточено 99,866% массы Солнечной системы. Солнечный параллакс равен 8,794'' (4,263*10ˉ⁵ радиан).

В зависимости от изменения физических условий Солнце можно разделить на несколько концентрических слоёв, постепенно переходящих друг в друга. Внешняя оболочка типична для звёзд с водородной сферой, с атомным отношением водорода к гелию близким к 10. Самый глубокий и тонкий из слоёв – фотосфера – непосредственно наблюдается в видимом непрерывном спектре. Это самая яркая оболочка. Толщина фотосферы составляет около 300 км (менее 0,001 солнечного радиуса), её средняя плотность – 3*10-4 кг/м3. Средняя температура в фотосфере около 6000 К, на границе фотосферы – 4200 К. Давление меняется от 2*104 до 102 Н/м2. Конвекция в под фотосферной зоне Солнца проявляется в неравномерной яркости фотосферы, её зернистой, так называемой, грануляционной структуре. Гранулы имеют вид ярких пятен округлой формы, размером 150 – 1000 км и продолжительностью жизни 5 – 10 минут, реже – 20 минут. Иногда можно наблюдать массовое скопление гранул протяжённостью до 30000 км. На поверхности Солнца грануляция одинакова на всех гелиографических широтах и не зависит от солнечной активности. Скорости хаотических движений (турбулентные скорости) в фотосфере составляют по различным определениям 1-3 км/с. В фотосфере обнаружены квазипериодические колебательные движения в радиальном направлении. Они происходят на площадках размерами 2-3 тысяч км с периодичностью около 5 минут и амплитудой скорости порядка 500 м/с. После нескольких периодов колебания они затухают и могут вновь возникнуть в этом же месте. Ниже расположены очень большие конвективные образования – «гигантские ячейки», супергранулы, в которых движение происходит (около 500 м/с) в горизонтальном направлении от центра ячейки к её границам. Размеры ячеек достигают до 30 – 40 тысяч км. По положению супергранулы совпадают с ячейками хромосферной сетки. На границах этих ячеек магнитное поле усилено.

Возникновение грануляции связано с происходящей под фотосферой конвекцией. Такое движение газа в солнечной атмосфере порождают акустические волны. Распространяясь в верхние слои атмосферы, волны, возникшие в конвективной зоне и в фотосфере, передают им часть механической энергии конвективных движений и производят нагревание газов последующих слоёв атмосферы – хромосферы и короны. Хромосфера менее яркая (на 16%), чем фотосфера. Верхние слои атмосферы с температурой около 4500 К являются самыми «холодными» на Солнце. Здесь температура газов быстро растёт как вглубь, так и вверх. Слой хромосферы хорошо виден в минуту полного солнечного затмения как розовое кольцо, выбивающееся из-за тёмного диска Луны.

На краю хромосферы наблюдаются небольшие язычки пламени – хромосферные спикулы – это «язычки» уплотнённого газа. Здесь же можно наблюдать и спектр хромосферы, так называемый спектр вспышки. Он состоит из ярких эмиссионных линий водорода, гелия, ионизированного кальция и других элементов, которые внезапно вспыхивают во время полной фазы затмения.

По структуре хромосфера значительно отличается от фотосферы: она более неправильной и неоднородной структуры. Выделяются два типа неоднородности – яркая и тёмная, которые по своим размерам превышают фотосферные гранулы. В целом распределение неоднородностей образует так называемую хромосферную сетку, хорошо заметную в линии ионизированного кальция. Как и грануляция, она является следствием движения газов в подфотосферной конвективной зоне, только происходящего в более крупных масштабах. Температура в хромосфере быстро растёт, достигая в верхних слоях десятков тысяч градусов.

Хромосферу можно увидеть во время полного солнечного затмения, когда Луна полностью закроет фотосферу. В этот момент она представляет собой розовое кольцо с выступающими зубчиками – хромосферными спикулами. Одновременно на Солнце может быть до 250 тыс. спикул диаметром от 200 до 2000 км. Скорость подъёма плазмы спикулы достигает 30 км/с. При наблюдении в монохроматическом свете на диске Солнца видна яркая хромосферная сетка, состоящая из отдельных узелков (от 1000 до 8000 км). Размеры ячеек сетки 30-40 тысяч км. Предположительно спикулы образуются на границах ячеек хромосферной сетки.

Установлено, что в хромосфере происходит хаотическое движение газовых масс со скоростями до 15*103 м/с. В хромосфере факелы видны как светлые образования, называемые обычно флоккулами. Полярные факелы могут представлять собой отдельные яркие точки размером от 700 до 3500 км, пары ярких точек на расстоянии около 7000 км, цепочки ярких протяжённостью до 30000 км и диффузные образования размером от 7 до 20 и более тыс. км.

Хромосфера обыкновенно имеет вид волнующегося моря, иногда здесь царит затишье, но по временам тут свирепствуют жестокие бури и происходят сильнейшие извержения.

Одно из самых замечательных наблюдений в этой области, которое служит наглядным доказательством бурных переворотов, происходящих на солнечной поверхности, было сделано американским профессором Юнгом.

7 сентября 1871 года Юнг занимался исследованием огромного выступа на восточном крае Солнца.

Этот выступ имел форму большого спокойного облака, связанного с хромосферой четырьмя или пятью вертикальными светлыми, очень подвижными столбами, оно простиралось в длину на 3'45», в высоту – на 2', то есть оно имело в длину 161 тысячу километров, а в высоту – 88 тысяч километров.

Через некоторое время один из столбов на южной стороне облака стал излучать более яркий свет, чем остальные, и выгнулся вперёд, тогда как на северной стороне. Вблизи основания другого столба, образовалась небольшая светлая масса, весьма напоминающая верхнюю часть грозовой тучи .

В час дня, вернувшись к телескопу, оставленному им полчаса назад, Юнг к величайшему своему изумлению увидел, что от облака и столбов не осталось и следа. Ему представилось необыкновенное зрелище: над поверхностью Солнца носилось множество разбросанных, отделённых друг от друга обрывков, которые быстро поднимались вверх. Некоторые из них были уже на высоте около 4', то есть 176 тысяч километров. Но затем на глазах наблюдателя стали подниматься всё выше и выше и 10 минут спустя, очутились на высоте 300 тысяч километров над поверхностью Солнца.

Таким образом, поднятие совершалось со скоростью 267 километров в секунду. Прилагаемый рисунок даёт представление об этом явлении в момент наибольшего подъёма огненных брызг. Явление длилось 15 минут и затем исчезло (рис. 3).

По всем признакам мы здесь имеем дело с колоссальным взрывом, направленным снизу вверх и взбудоражившим всю хромосферу. Вечером того же дня, когда было замечено описанное выше явление, в Америке наблюдалось очень красивое северное сияние.

Не было ли это со стороны Земли ответом на бурный взрыв, происшедший на Солнце?

Один из наиболее замечательных огненных выступов в хромосфере Солнца был зарисован Таккини в Риме 30 января 1885 года.

Высота этого выступа равнялась 6'18», или 228 тысячам километров, то есть в 18 раз превышала диаметр Земли.

Но что нельзя воспроизвести кистью и красками, так это ту удивительную живость ярких тонов и ту быстроту движений, которыми отличаются эти громадные, пышущие пламенем газообразные массы. Поэтому самые лучшие рисунки кажутся мёртвыми по сравнению с этими грандиозными явлениями природы.

Такие извержения замечаются повсюду – как на экваторе, так и на полюсах Солнца. Отсюда следует, что солнечный шар весь покрыт океаном пламени, из которого то и дело вырываются огромные красные языки и который служит ареной бешеных взрывов, повторяющихся время от времени с различной силой.

В красной линии спектра водорода хорошо видны тёмные образования, называемые волокнами. На краю диска Солнца волокна выступают за диск и наблюдаются на фоне неба как яркие протуберанцы. Волокна и протуберанцы низкоширотных зон показывают хорошо выраженный 11-летний цикл, их максимум совпадает с максимумом пятен. Высокоширотные протуберанцы меньше зависят от фаз солнечной активности, максимум наступает через два года после максимума пятен. Форма и характер движений в протуберанцах взаимосвязаны с магнитным полем в хромосфере и солнечной короне.

Самая верхняя и самая разрежённая часть солнечной атмосферы – корона, простирающаяся на десятки солнечных радиусов и имеющая температуру около миллиона градусов. Корону Солнца раньше можно было наблюдать только во время полного солнечного затмения, сегодня же можно изучать с помощью орбитальных телескопов и коронографов. В крупномасштабной структуре солнечной короны хорошо выделяются такие образования: шлемовидные структуры, опахала, корональные лучи и полярные щёточки. Общая форма короны меняется с фазой цикла солнечной активности: в годы минимума корона сильно вытянута вдоль экватора, в годы максимума она почти сферична. Свечение солнечной короны образуется, как правило, в результате рассеяния фотосферного излучения свободными электронами. Практически все атомы в короне ионизированы. Концентрация ионов и свободных электронов у основания короны составляет 109 частиц в 1 см3. Нагрев короны аналогичен нагреву хромосферы. Наибольшее выделение энергии происходит в нижней части короны, но благодаря высокой теплопроводности корона почти изотермична – температура к наружному слою понижается очень медленно.

В нижней части короны отток энергии вниз происходит благодаря теплопроводности. К потере энергии приводит уход из короны наиболее быстрых частиц. Во внешних частях короны большую часть энергии уносит солнечный ветер (поток коронального газа). Температура в короне превышает 106К. В активных слоях короны достигает 107К. Над активными областями могут образовываться так называемые корональные конденсации, в которых концентрация частиц возрастает в десятки раз. В солнечной короне генерируется радиоизлучение Солнца в метровом диапазоне и рентгеновское излучение, усиливающееся во много раз в активных областях.

Из короны распространяются в межпланетное пространство потоки частиц, образующие солнечный ветер. Между хромосферой и короной имеется сравнительно тонкий переходный слой, в котором происходит резкий скачок температуры до значений, характерных для короны. Условия в нём определяются потоком энергии из короны в результате теплопроводности. Переходный слой является источником большей части ультрафиолетового излучения Солнца. Хромосфера, переходный слой и корона дают радиоизлучение Солнца. В активных областях структура хромосферы, короны и переходного слоя меняется, но этот процесс ещё мало изучен.

Внутреннее строение Солнца

Основываясь на данных о массе, светимости, радиусе Солнца, на физических законах (которые благодаря своей универсальности применимы не только на Земле, но и условиях других небесных тел), можно получить данные о давлении, плотности, температуре и химическом составе на разных расстояниях от центра Солнца. Первые три параметра (давление, плотность, температура), возрастают с глубиной, достигая максимальных значений в центре Солнца. Химический состав Солнца тоже не остаётся одинаковым на разных глубинах: водород всюду на Солнце оказывается самым распространённым элементом, но процентное содержание водорода меньше всего в центре и больше всего в фотосфере Солнца и его атмосфере.

Равновесие Солнца обеспечивается тем, что силы тяготения, стремящиеся сжать газовый шар, уравновешиваются силами газового давления. Исходя из этого, оценим давление и температуру в центре Солнца.

Выделим внутри Солнца столбик с площадью основания S и высотой h=Rc. Сила газового давления (F) вблизи центра уравновешивается весом столбика вещества, то есть F=P. Вес рассматриваемого вещества можно рассчитать по его массе: P=mg. а поскольку m=ρV=ρSRc, то

P=ρSRcg

Принимая с целью упрощения расчетов ρ = ρc и вычисляя g из закона всемирного тяготения при r= Rc. /2, получим

P=ρcSRcGMc/(Rc/2)2.

Так как давление есть p=F/S, то давление в центре Солнца можно оценить по формуле: pц=4GρcMc/Rc.

Откуда pц=1. 1*1015 Па. Более строгие вычисления дают pц=2,0*1016 Па,

Плотность в центре Солнца на самом деле не равна средней плотности, а на порядок выше ее, то есть pц~10 pс (так как pс=1. 4*103 кг/м3, то pц=1. 4*104 кг/м3 !).

Несмотря на огромную плотность вещества, даже в центре Солнца расстояния между частицами велики по сравнению с размерами частиц. Но в таком случае к веществу в центре Солнца применимо уравнение Менделеева – Клапейрона: p=RρТ/M где p - давление газа;

R=8,31 Дж/(моль*К) - универсальная газовая постоянная;

М, Т и ρ- соответственно молярная масса, абсолютная температура и плотность газа.

Отсюда получаем формулу для приближенного вычисления температуры в центре Солнца:

Тц=рц M/Rсρц

Аналогичные рассуждения позволяют сделать оценки р и Т не только для центра Солнца, но и, например, для глубины, равной половине радиуса Rс/2. В принципе можно вычислить р, Т и ρ на любой глубине и получить распределения этих параметров с глубиной: р=р(r), Т=Т(r), и ρ=ρ(r). Совокупность этих функций (их можно представить в виде формул, таблиц или графиков) образует модель внутреннего строения Солнца. Астрономы пытаются строить модели, максимально приближенные к реальности. Они сводят к минимуму упрощающие допущения; учитывают изменение химического состава с глубиной и то, как на Солнце вырабатывается энергия и каким образом осуществляется ее перенос; используются самые современные методы вычисления. И все-таки в результате получается не копия внутреннего строения Солнца (или других звезд), а скорее «контуры», позволяющие постичь главное, отвлекаясь от второстепенного, несущественного.

Протуберанцы

Во время полных солнечных затмений по краям тёмного диска Луны обыкновенно замечаются так называемые протуберанцы, или огненные языки. Такие явления наблюдались даже простым глазом, особенно в 1239, 1560, 1605. 1652, 1706, 1729, 1733 и 1766 годах, но астрономы не придавали им никакого значения, считая их обманом зрения. Во время солнечного затмения, происходившего 8 июля 1842 года, огненных языков, вырывающихся из-под чёрного лунного кружка, было особенно много.

По поводу природы этих огненных языков были высказаны самые различные предположения и догадки. Внимательное изучение странного явления во время последующих затмений, происходивших в 1851, 1860 и 1868 годах, показало, что, кроме языков пламени, или протуберанцев, существует целый слой светящейся материи, которая со всех сторон облегает Солнце. Протуберанцы и возникают из этого слоя, это массы, которые поднимаются над общим уровнем и даже иногда отделяются от него, некоторые из них имеют вид столбов дыма, которые как бы под действием ветра тянутся над солнечной поверхностью и отличаются громадными размерами, превышая земной диаметр, в пять, восемь и даже десять раз.

Что такое представляют собой эти протуберанцы, эти огненные выступы, из какого вещества они состоят?

Спектроскопические исследования наглядно доказали, что протуберанцы представляют собой газообразные массы, главной составной частью которых являются водород и кальций.

Протуберанцы могут достигать длины солнечного радиуса и существовать в течение нескольких оборотов Солнца. Средняя высота протуберанцев над поверхностью Солнца составляет 30-50 тысяч км, средняя длина – 200000 км, ширина – 5000 км. Протуберанцы по характеру движения делятся на 3 группы:

- электромагнитные, где движения происходят по упорядоченным искривлённым траекториям – силовым линиям магнитного поля;

- хаотические, в которых преобладают неупорядоченные турбулентные движения (скорости порядка 10 км/с);

- эруптивные, где вещество первоначального спокойного протуберанца с хаотическими движениями внезапно выбрасывается с возрастающей скоростью (до 700 км/с) прочь от Солнца.

Температура в протуберанцах достигает 5 – 10 тыс. градусов по Кельвину, плотностью близка к средней плотности хромосферы. Волокна, представляющие собой активные, быстро меняющиеся протуберанцы, довольно быстро изменяются в течение нескольких часов, иногда и в течение нескольких минут.

В некоторых обсерваториях систематически занимаются наблюдениями над протуберанцами, зарисовкой их с помощью спектроскопа и даже фотографированием.

В Италии было даже особое астрономическое общество для изучения именно этих явлений – общество спектроскопистов, находившееся в Риме.

Протуберанцы весьма непостоянны: они то появляются, то исчезают, редко оставаясь на одном и том же месте в течение целого часа. Спектральный анализ показал, что, кроме водорода, и кальция, в них содержится много других веществ.

Солнечные пятна

В фотосфере довольно часто можно наблюдать тёмные образования, называемые солнечными пятнами. С активностью появления пятен на средних и низких широтах чаще связывают активность Солнца. Все солнечные пятна обладают сильным магнитным полем. Небольшие пятна называют порами, а диаметр большого может достигать 200 тыс. км. Состоят они из тёмного ядра (тени) и окружающей его полутени, иногда могут быть окружены светлой каймой. Одни пятна на поверхности Солнца могут «просуществовать» несколько часов, а другие – месяц.

Появление пятен подчиняется следующим закономерностям:

- 11-летний цикл появления пятен на широтах ± 40°;

- 22-летний магнитный цикл пятен;

- экваториальный дрейф зоны появления пятен;

- смена знака полярного магнитно поля в максимуме пятнообразования.

В спектре пятен линий и полос поглощение ещё больше, чем в спектре фотосферы, кроме того, они смещаются, что указывает на движение вещества в пятнах: происходит вытекание на низких уровнях и втекание на более высоких, со скоростью движения до 3000 м/с. Из сравнений интенсивности линий и непрерывного спектра пятен и фотосферы следует, что пятна холоднее фотосферы на 1 – 2 тыс. градусов (4500 К и ниже). Из-за этого на фоне фотосферы пятна кажутся тёмными, яркость ядра составляет 0,2 – 0,5 яркости фотосферы, яркость полутени – около 80% фотосферной.

Обычно пятна образуют три группы, которые по своему магнитному полю могут быть униполярными, биополярными и мультиполярными, то есть содержащими много пятен различной полярности, часто объединённых общей полутенью. С окончанием переполюсовки магнитного поля появляются и многочисленные мелкомасштабные магнитные структуры – полярные факелы, яркие рентгеновские точки в короне, протуберанцы, в солнечной короне над ними наблюдаются образования в виде лучей, шлемов, опахал – всё это образует активную область на Солнце.

Эти чёрные пятна обыкновенно имеют круглую форму, но очень часто они появляются небольшими группами, образуя круглую форму, но очень часто они появляются небольшими группами, образуя весьма разнообразные неправильные фигуры. Внутренняя часть каждого пятна кажется, совершенно чёрной и называется ядром, или тенью, менее тёмная кайма вокруг ядра называется полутенью. Тень от полутени отделяется обыкновенно довольно резко.

Солнечные пятна, как оказывается, давно уже были известны китайским астроном. В хронике Ма Туан Линь находится замечательная таблица наблюдений, произведённых между 301 и 1205 годами нашей эры. Чтобы дать представление о величине и форме пятен, видимых на Солнце, наблюдатели сравнивают их с яйцами, финиками, грушами и пр.

Эти сведения никакой пользы европейцам не принесли. Мы даже не знаем, каким образом китайские астрономы производили свои наблюдения, так как телескоп им был неизвестен, то они, по всей вероятности, пользовались закопчённым стеклом, с помощью которого, как известно, простым глазом можно видеть на Солнце только очень большие пятна.

В Европе солнечные пятна были замечены в ХVΙ веке монахом-иезуитом Шейнером из Ингольштадта. Это открытие было встречено очень недружелюбно начальством могущественного монашеского ордена: дневное светило считалось символом небесной чистоты и непорочности, и допускать существование каких-то пятен на его лучезарном лике значило бы подрывать основные догматы веры. Галилей, занимавшийся в Италии теми же наблюдениями, что и Шейнер в Германии, подтвердил сообщение немецкого иезуита и вычислил скорость вращения Солнца, основываясь на перемещении солнечных пятен.

Скоро существование этих пятен в кругу учёных было признано фактом, не подлежащим никакому сомнению.

Пятна появляются на восточной стороне Солнца, начинают двигаться по диску и спустя 14 дней исчезают на западной стороне. Совершив полный оборот, пятна редко появляются снова в том же виде, в каком они наблюдались раньше, обыкновенно, показываясь опять с восточного края, они бывают сильно изменены, некоторые же совсем пропадают.

Видимое движение пятен близ центра совершается быстрее, чем по краям солнечного диска, причём по мере приближения к видимым краям Солнца пятна теряют свою круглую форму – делаются овальными. Эти изменения во внешнем виде пятен только кажущиеся, зависят они оттого, что их движение совершается не в плоскости, а по поверхности шара.

Это и послужило доказательством того, что Солнце – не плоский диск, а шарообразное тело.

Размеры пятен бывают иногда настолько значительны, что они могут быть рассмотрены невооружённым глазом, для этого диаметр пятна должен быть не меньше 50'' дуги. Одно из величайших солнечных пятен наблюдалось 14 октября 1883 года: диаметр его был равен 159'' дуги, то есть 114 тысячам километров, - расстояние, превышающее диаметр Земли в 7 раз.

Число пятен не всегда бывает одинаковым. Иногда они бывают очень многочисленными, а иногда встречаются в таком ничтожном количестве, что в течение нескольких месяцев едва удаётся разглядеть одно пятнышко.

Каждое пятно возвращается на то место, где оно раньше было наблюдаемо, через каждые 271/3 дней, описав полный оборот вокруг Солнца.

Солнечные пятна не распределены равномерно по всему диску, больше всего они скопляются возле экватора Солнца, весьма редко переходя за пределы 35° - 40° широты.

Образование пятен обусловлено большими переворотами, происходящими на Солнце. Результатом этих переворотов являются, с одной стороны, поднятия солнечной поверхности, с другой – понижения её, или углублениями. Эти углубления, или ямы, излучающие меньше света, чем окружающие участки, и кажутся нам тёмными кружками, или пятнами.

Энергия Солнца и человек

Энергия Солнца

Мифология и история говорят нам, что уже в древнейшие времена Солнцу воздавали божеские почести. Древние народы по скудности своих знаний о природе не могли оценить огромное значение, которое имеет для нас Солнце, но они догадывались, что его тепло и свет поддерживают всякую жизнь на Земле, и верили в его благодатную силу, которая позволяет деревьям расти в лесах, хлебным колосьям зреть и наливаться на полях, рекам и ручьям течь по равнинам.

Современная наука подтвердила эти догадки древних, выяснив огромную важность для нас этого лучезарного светила, обладающего такой колоссальной световой и тепловой энергией, о которой древние не имели никакого представления.

Точными измерениями доказано, что яркость солнечных лучей по своей силе равняется яркости свыше 3 020 квадриллионов свечей; квадриллионом называется число, изображаемое единицей с 24 нулями.

Если перевести тепловую энергию Солнца (падающую на Землю за 1 секунду) в электрическую и оценить её из расчёта всего по 2 копейки за киловатт-час, то окажется, что эта энергия имеет стоимость 956 миллионов рублей.

Вот чему равняется постоянная работа Солнца на Земле!

Согласно современным представлениям, в недрах Солнца и других звёзд происходят термоядерные реакции. В ходе этих реакций, сопровождающихся большим выделением энергии, одни химические элементы превращаются в другие. Самый распространённый элемент на Солнце – водород. В недрах Солнца он ионизован и находится в виде ядер атомов водорода – протонов. Скорость этих протонов в условиях огромных температур настолько велика, что они сближаются, преодолевая электрические силы отталкивания. На очень близких расстояниях вступают в действие мощные ядерные силы и начинаются реакции, в ходе которых возникают ядра новых химических элементов. Внутри Солнца водород превращается в гелий. Рассмотрим один из возможных путей такого перехода. Слияние двух протонов (1Н) сопровождается образованием ядра тяжёлого водорода дейтерия (2D) и испусканием двух элементарных частиц: позитрона (е+) и нейтрино (ν). Кратко эту реакцию можно записать так:

1Н + 1Н → 2D + е+ + ν

Если образовавшийся в результате взаимодействия протонов дейтерий сам вступит в ядерную реакцию с протоном, то возникает ядро лёгкого изотопа гелия (3Не) и выделится энергия в виде коротковолнового гамма-излучения (γ):

2D + 1Н → 3Не + γ

В дальнейшем слияние двух ядер 3Не приведёт к образованию ядра гелия

(4Не) и двух ядер водорода:

3Не + 3Не → 4Не + 1Н + 1Н

Рассмотренная цепочка из трёх реакций называется протон-протонным циклом. В результате цикла из четырёх ядер водорода образуется одно ядро гелия. Иначе говоря, Солнце светит благодаря тому, что в его недрах каждую секунду 584 миллиона тонн водорода превращается в 560 миллионов тонн гелия.

Какая энергия выделяется при этом?

Масса одного протона в атомных единицах составляет 1,008, четырех – 4,032. Поскольку масса одного ядра гелия 4,004, то разность 4,032-4,004=0,028 (дефект массы). Так как 0,028:4,032= 0,007, то при синтезе 1 грамма гелия дефект массы составляет примерно 0,007 г. Зная это и используя открытый Эйнштейном закон взаимосвязи массы и энергии Е=mc2, подсчитаем, сколько энергии выделяется при «сгорании» 1 г водорода:

Е = mc2 = 7*10-6 кг * (3*108 м/с)2~ 6,3*1011 Дж где (с=3*108 м/с – скорость света)

Один из продуктов протонно-протонного цикла – нейтрино. Эти частицы способны почти без взаимодействия с веществом проникать сквозь толщу всей звезды, унося некоторую энергию непосредственно из ее центральных областей. Огромная проникающая способность нейтрино делает их трудноуловимыми: их невозможно непосредственно зарегистрировать обычными счетчиками элементарных частиц. Но сделать это крайне важно и интересно, так как нейтринное излучение, в отличие от всех других видов излучения, как бы позволяет «заглянуть» в недра Солнца. Нейтринные наблюдения Солнца (они уже проводятся с помощью нейтринных телескопов, установленных глубоко под Землей) позволят выяснить, насколько верна общепринятая гипотеза об источниках энергии Солнца и подобных ему звезд.

Согласно современным данным, термоядерные реакции происходят только в центральных областях Солнца, простирающихся не далее 0,3 радиуса от его центра. Ближе к поверхности, где температура значительно меньше, чем около центра Солнца, источников энергии нет. Значит энергия, выделяющаяся в результате термоядерного синтеза, должна быть передана наружу через огромную толщу раскаленной плазмы. От 0,3 до 0,7 радиуса Солнца (считая от центра) энергия передается излучением от слоя к слою. При этом слои не меняются своими местами, а энергия, излученная нижним слоем, поглощается верхним слоем и затем переизлучается им и т. д.

Происходит очень медленное, длящееся не менее миллиона лет «просачивание» излучения от центра Солнца к поверхности. Каждый последующий слой излучает кванты меньшей энергии, чем предыдущий. Поэтому, хотя в центральных областях Солнца вырабатываются гамма-кванты, но далее они последовательно превращаются в кванты рентгеновского излучения, затем ультрафиолетового, и, наконец, вблизи поверхности, в кванты видимого излучения. Примерно на расстоянии 0,3 радиуса Солнца от его поверхности основным процессом переноса энергии из глубины наружу становится конвекция. Конвективная зона простирается до фотосферы, и о происходящей в подфотосферных слоях конвекции свидетельствует грануляция на поверхности Солнца.

Открытие источника энергии звезд имеет большое значение для понимания процессов, происходящих внутри звезд. Кроме того, оно послужило толчком к поискам путей технического использования термоядерного синтеза в земных условиях. Если людям на Земле удастся воспроизвести термоядерный синтез, в их руках зажжётся маленькое солнце!

Преобразование солнечной энергии в теплоту, работу и электричество

Как мы уже знаем, солнечную энергию люди используют с древнейших времён. Ещё в 212 году н. э. с помощью концентрированных солнечных лучей зажигали священный огонь у храмов. Согласно легенде, приблизительно в то же время, греческий учёный Архимед при защите родного города поджёг паруса римского флота.

Энергия, получаемая Землёй от Солнца, характеризуется солнечной постоянной. Солнечной постоянной называется величина, определяемая полной энергией, которая падает в 1 с на площадку 1 м2, расположенную перпендикулярно солнечным лучам вне земной атмосферы на среднем расстоянии Земли от Солнца.

Для измерения солнечной постоянной на высокогорных станциях определяют количество теплоты, которое получает вода, налитая в специальные сосуды, от зачернённого металлического диска, нагреваемого солнечными лучами. В результате тщательных измерений, выполненных с учётом поглощения видимого, инфракрасного и ультрафиолетового излучения в земной атмосфере, нашли, что солнечная постоянная равна 1400 Вт/м² (более точное значение несколько меньше).

Измерения солнечной постоянной проводились на протяжении многих лет. Оказалось, что значение солнечной постоянной практически не меняется. Значит, полная энергия, излучаемая Солнцем в единицу времени, постоянна. Если умножить солнечную постоянную на площадь сферы, радиус которой равен среднему расстоянию Земли от Солнца, то получится энергия излучаемая Солнцем в единицу времени (Lc). Lc – это светимость Солнца (или мощность его излучения):

Lc = 4*1026 Вт

Энергетический поток солнечной радиации очень велик. Солнечная радиация – это неисчерпаемый возобновляемый источник экологически чистой энергии. Верхней границы атмосферы Земли за год достигает поток солнечной энергии в количестве 5,6*1024 Дж. Атмосфера Земли отражает 35% этой энергии обратно в космос, а остальная энергия расходуется на нагрев земной поверхности, испарительно-осадочный цикл и образование волн в морях и океанах, воздушных и океанских течений и ветра.

Среднегодовое количество солнечной энергии, поступающей за 1 день на 1 м² поверхности Земли, колеблется от 7,2 МДж/м² на севере, до 21,4 МДж/м² в пустынях и тропиках.

Таким образом за год на Землю приходит 1018 кВт*ч солнечной энергии. Почему бы ни использовать эту даровую энергию для хозяйственных нужд? 5% от этой величины сопоставимы со всеми мировыми запасами ископаемого топлива, составляющими 6 * 1012 т, и в сотни раз превышают современные потребности человечества. Солнечная энергия, если научиться ее разумно усваивать, может обеспечить эти потребности на века. К тому же солнечная энергетика по самой своей сути намного более экологически чистая, чем все другие виды (тепло-, гидро- и ядерная энергетика), на которых базируется сейчас наша промышленная цивилизация.

Доля разных источников в выработке энергии (слева) и, в частности, электроэнергии (справа) в 2002 г.

Почему развитие солнечных энергетических станций только-только начинается? Главная причина – малая плотность энергетического потока, который на 3–4 порядка меньше, чем дают традиционные электростанции (ТЭС, АЭС, ГЭС). К тому же этот поток прерывистый, зависит от времени суток, сезона и погоды. Чтобы скомпенсировать недостатки, надо собирать солнечный поток с большой площади, применяя концентраторы, и запасать энергию на нерабочее время с помощью аккумуляторов. Пока это удается «малой энергетике», предназначенной для питания электроэнергией и теплом домов и небольших предприятий.

Солнечная энергия преобразуется в электрическую на солнечных электростанциях (СЭС), имеющих оборудование, предназначенное для улавливания солнечной энергии и её последовательного преобразования в теплоту и электроэнергию. Для эффективной работы СЭС требуется аккумулятор теплоты и система автоматического управления.

Улавливание и преобразование солнечной энергии в теплоту осуществляется с помощью оптической системы отражателей и приёмника сконцентрированной солнечной энергии, используемой для получения водяного пара или нагрева газообразного или жидкометаллического теплоносителя (рабочего тела).

Для размещения солнечных электростанций лучше всего подходят засушливые и пустынные зоны. На поверхность самых больших пустынь мира общей площадью 20 млн. км² (площадь Сахары 7 млн. км²) за год поступает около 5*1016 кВт*ч солнечной энергии. При эффективности преобразования солнечной энергии в электрическую, равной 10% достаточно использовать всего 1% территории пустынных зон для размещения СЭС, чтобы обеспечить современный мировой уровень энергопотребления.

Солнечная энергия может быть преобразована в тепловую, механическую и электрическую энергии, использована в химических и биологических процессах.

Известны методы термодинамического преобразования солнечной энергии в электрическую, основанные на использовании циклов тепловых двигателей, термоэлектрического и термоэмиссионного процессов, а также прямые методы фотоэлектрического, фотогальванического и фотоэмиссионного преобразований. Наиболее практическое применение получили фотоэлектрические преобразователи и системы термодинамического преобразования с применением тепловых двигателей.

Солнечные батареи

Будущее солнечной энергетики – за прямым преобразованием солнечного излучения в электрический ток с помощью полупроводниковых фотоэлементов. Это предвидел в 30-х гг. прошлого века академик А. Ф. Иоффе, основатель Физико-технического института (ФТИ), воспитавший блестящую плеяду физиков и создавший отечественную школу по полупроводникам. Он указал на использование солнечной энергии еще тогда, когда КПД фотоэлементов едва доходил до 1%. Предвидение полностью подтвердилось с запуском искусственных спутников Земли, главным энергетическим источником которых стали панели солнечных батарей – устройств, состоящих из тонких плёнок кремния или других полупроводниковых материалов . Преимущество фотоэлектрических преобразований (ФЭП) обусловлено отсутствием подвижных частей, их высокой надёжностью и стабильностью. При этом срок их службы практически не ограничен. Они имеют малую массу, отличаются простотой обслуживания, эффективным использованием как прямой, так и рассеянной солнечной радиации. Модульный тип конструкций позволяет создавать установки практически любой мощности и делает их весьма перспективными.

Фотоэлектрический эффект возникает в солнечном элементе при его освещении светом в видимой и ближней инфракрасной областях спектра. В солнечном элементе из полупроводникового кремния толщиной 50 мкм поглощаются фотоны, и их энергия преобразуется в электрическую посредством p-n соединения. В p-слое полупроводника создается дырочная проводимость, в n-слое – электронная проводимость. На границе слоев возникает потенциальный барьер, препятствующий перемещению электронов и дырок из одного слоя в другой, и ток в полупроводнике не течет. Когда на фотоэлемент падает свет, фотоны, поглощаясь, создают пары электрон–дырка, которые, подходя к границе слоев, понижают потенциальный барьер, давая возможность носителям беспрепятственно проходить из слоя в слой. В полупроводнике возникает наведенная ЭДС – он становится источником электрического тока. Величина фотоЭДС возрастает с интенсивностью светового потока.

Эффективность современных кремниевых (а также на основе арсенида галлия) фотоэлементов достаточно высока (КПД = 10–20%), и все же за нее идет постоянная упорная борьба, т. к. увеличение КПД приводит к уменьшению необходимой площади солнечных батарей, а она даже в «малой энергетике» достаточно велика (десятки квадратных метров). Большим достижением стала разработка кремниевых фотоэлементов, работающих при концентрации света до тысяч «солнц» и обладающих КПД до 40%. Другое важное направление – создание более дешевых и удобных преобразователей – ленточных поликристаллических кремниевых панелей, тонких пленок аморфного кремния, а также других полупроводниковых материалов. Созданы составные полупроводники с полосой поглощения, наиболее соответствующей спектру солнечного излучения. За последние 20 лет эффективность полупроводниковых фотоэлементов выросла в среднем в 5 раз. Сейчас нет необходимости в прямом солнечном свете. Современные фотоэлементы хорошо «усваивают» и рассеянный, пробившийся через облака свет, так что пасмурная погода им не помеха.

Отличную перспективу имеют полупроводниковые гетероструктуры, за исследование и внедрение которых директор ФТИ академик Ж. И. Алферов, продолжатель работ А. Ф. Иоффе, получил недавно Нобелевскую премию. Их эффективность в два раза выше, чем у простых кремниевых p–n-структур. Переход на гетеросоединения типа арсенида галлия и алюминия, применение концентраторов солнечной радиации с кратностью концентрации 50-100 позволяет повысить КПД с 20 до 35%. В 1989 году фирмой «Боинг» создан двухслойный элемент, состоящий из двух полупроводников – арсенида и антимонида галлия – с коэффициентом преобразования солнечной энергии в электрическую, равным 37%. В обычных кремниевых элементах инфракрасное излучение не используется, в то время как в новом элементе в первом прозрачном слое (арсенид галлия) поглощается и преобразуется в электричество видимый свет, а инфракрасная часть спектра, проходящая через этот слой, поглощается и преобразуется в электричество во втором слое (антимониде галлия), в итоге КПД составляет 28%+9%=37%, что вполне сопоставимо с КПД современных тепловых и атомных электростанций.

Таким образом, отечественные полупроводники могли бы стать базой успешного развития солнечной энергетики в нашей стране.

Солнечные батареи пока используются в основном в космосе, а на Земле только для энергоснабжения автономных потребителей мощностью до 1 кВт, питания радионавигационной и маломощной радиоэлектронной аппаратуры, привода экспериментальных электромобилей и самолётов. В 1988 году в Австралии состоялись первые всемирные ралли солнечных автомобилей. По мере совершенствования солнечных батарей они будут находить применение в жилых домах для автономного энергоснабжения, т. е. отопления и горячего водоснабжения, а также для выработки электроэнергии для освещения и питания бытовых электроприборов.

Солнечные коллекторы и аккумуляторы теплоты

Основным конструктивным элементом солнечной установки является коллектор, в котором происходит улавливание солнечной энергии, её преобразование в теплоту и нагрев воды, воздуха или какого-либо другого теплоносителя. Различают два типа солнечных коллекторов – плоские и фокусирующие. В плоских коллекторах солнечная энергия поглощается без концентрации, а в фокусирующих – с концентрацией, т. е. с увеличением плотности поступающего потока радиации. Наиболее распространённым типом коллекторов в низкотемпературных гелиоустановках является плоский коллектор солнечной энергии (КСЭ). Его работа основана на принципе «горячего ящика». Для того чтобы изготовить плоский КСЭ, необходима прежде всего лучепоглощающая поверхность, имеющая надёжный контакт с рядом труб или каналов для движения нагреваемого теплоносителя. Совокупность плоской лучепоглощающей поверхности и труб (каналов) для теплоносителя образует единый конструктивный элемент – абсорбер. Для лучшего поглощения солнечной энергии верхняя поверхность абсорбера должна быть окрашена в чёрный цвет или должна иметь специальное поглощающее покрытие. Максимальная температура, до которой можно нагреть теплоноситель в плоском коллекторе , не превышает 100°С. К числу принципиальных преимуществ плоского КСЭ по сравнению с коллекторами других типов относится его способность улавливать как прямую (лучистую), так и рассеянную солнечную энергию и как следствие этого – возможность его стационарной установки без необходимости слежения за Солнцем.

Абсорбер плоского коллектора солнечной энергии, как правило, изготавливается из металла с высокой теплопроводимостью, а именно из стали, алюминия и даже из меди.

При использовании концентраторов, т. е. оптических устройств типа зеркал или линз, достигается повышение плотности потока солнечной энергии. Это имеет место в фокусирующих коллекторах солнечной энергии, требующих специального механизма для слежения за Солнцем. Зеркала – плоские, параболоидные или параболо – цилиндрические – изготовляют из тонкого металлического листа или фольги или других материалов с высокой отражающей способностью, линзы – из стекла или пластмасс. Фокусирующие коллекторы обычно применяют там, где требуются температуры (солнечные электростанции, печи, кухни и т. п. ). В системах теплоснабжения зданий они как правило не используются.

Необходимость аккумулирования теплоты в гелиосистемах обусловлена несоответствием во времени и по количественным показателям поступления солнечной радиации и теплопотребления. Поток солнечной энергии изменяется в течение суток от нуля в ночное время, до максимального значения в солнечный полдень. Поскольку тепловая нагрузка отопления максимальна в декабре – январе, а поступление солнечной энергии в этот период минимально, для обеспечения теплопотребления необходимо улавливать солнечной энергии больше, чем требуется в данный момент, а избыток накапливать в аккумуляторе теплоты.

Концепция «солнечного» дома

Концепция современного жилого дома с экономным расходованием энергии была предложена давно. Главное в этом подходе – максимальное, исходя из особенностей местности и климата, использование поступающего солнечного излучения, превращение его в тепло и сохранение тепловой энергии с наименьшими потерями. Результат – максимальное сокращение всех других источников энергии, что приводит к значительной экономии средств и улучшению экологии окружающей среды. «Солнечным» домом называется жилище, спланированное так, чтобы по возможности лучше использовать солнечную радиацию. Это здание с эффективным использованием энергии. Вот краткий перечень необходимых архитектурно-строительных приемов при проектировании «солнечного» дома:

• ориентация дома по оси юг–север с большим застекленным южным фасадом, не затеняемым в течение дня;

• северный пологий скат дома, практически без окон;

• минимальное отношение периметра дома к его внутреннему объему;

• двойное остекление южной стены с узкой (~10 см) воздушной прослойкой, обеспечивающей термоизоляцию; между стеклами можно установить жалюзи, закрываемые на ночь;

• усиленная термоизоляция наружных стен (в 2–3 раза по сравнению с обычным домом);

• тепловые тамбуры на входе в дом;

• массивная стена за остекленной южной стороной, служащая аккумулятором дневного тепла (стена Тромба);

• теплообменник (с гравием или водой) в подвальном помещении, позволяющий извлекать из выходящего воздуха «отработанное» тепло (до 80%);

• теплицы и атриумы (помещения с верхним светом), играющие ту же роль тепловых аккумуляторов;

• тройные рамы на окнах.

Перечисленные, очевидные по назначению, технические приемы, незначительно увеличивая стоимость строительства (5–10%), заметно (более чем вдвое) способствуют снижению затрат на отопление жилья. Используемые средства составляют пассивную систему энергосбережения «солнечного» дома. К активной системе относятся тепловые солнечные коллекторы (системы светопоглощающих труб, через которые пропускается теплоноситель, обычно вода), панели фотоэлектрических элементов, регулирующая автоматика, компьютерное управление и другая высокоэффективная техника, используемая для максимального усвоения солнечной (а также ветровой, водяной и прочих возобновляемых видов) энергии и превращения дома в полностью автономное жилище.

Реализованных проектов солнечных домов, частично или полностью обеспечивающих себя солнечной энергией, сейчас в мире многие тысячи. Они пробили себе дорогу не только в теплых краях, где встречаются на каждом шагу (Египет, Израиль, Турция, Япония, США), и не только в странах с умеренным климатом (Франция, Англия, Германия), но и во многих северных регионах (Швеция, Финляндия, Канада, Аляска).

Темп роста «солнечных» домов во всем мире резко возрастает. Ежегодно в западных странах вводятся сотни тысяч квадратных метров нового экономичного жилья. Созданы крупные фирмы, занимающиеся строительством таких домов, специализированные предприятия, выпускающие для них оборудование и материалы. Во многих передовых странах развитие «солнечных» домов стало государственной политикой. Много занимаются вопросами энергосберегающего строительства ЮНЕСКО, Европейская комиссия, Департамент энергии США. Создана и успешно действует всемирная организация ОРЕТ по развитию и распространению энергетических технологий. Международное общество по солнечной энергии (ISES), образованное еще в 1954 г. , издает журнал «Solar Energy» по всем вопросам освоения и рационального использования солнечной радиации.

Особенно успешно и гармонично внедряются «солнечные» дома в Германии. Даже в слаборазвитых странах солнечные панели становятся привычной деталью деревенского пейзажа. Футурологический прогноз на третье тысячелетие, составленный группой немецких ученых, указывает, что уже в начале века начнется массовое строительство «солнечных» домов с тепловыми коллекторами и фотоэлектрическими панелями на крышах и фасадах. К 2015 году согласно тому же прогнозу, число электромобилей (часть из которых будет на солнечных батареях) в мире превысит число машин на бензине.

По-видимому, мы стоим на пороге бурного половодья солнечной энергетики.

Россия, к сожалению, по «солнечному» домостроению продолжает прогрессирующим образом отставать от индустриального мира.

20 лет назад в Московском архитектурном институте был создан эскизный проект загородного «солнечного» дома. Тепловой коллектор площадью 21 кв. м, расположенный на южной стене, должен был нагревать воздух, который путем естественной конвекции поступал бы в комнаты. Теплый воздух должен был пропускаться через гравийно-галечный накопитель в подвале. Было предусмотрено три режима отопления: от солнечного коллектора, от теплового аккумулятора и обычный – от печки или электрокамина. Еще один солнечный коллектор предусматривал нагревание воды для душевой. Экономия топлива составляла, по оценкам, 50%. Неизвестно, был ли реализован в каком-либо виде этот проект.

В настоящее время фронт работ расширился. С 1994 г. В Москве действует Интерсолцентр (вскоре ставший ассоциированным членом ОРЕТ), целью которого стала интеграция с ЮНЕСКО и другими международными организациями и мониторинг российских проектов по «солнечному» дому, включенных в мировую солнечную программу (1996–2005 гг. ). По инициативе Интерсолцентра и при поддержке Минтопэнерго и Миннауки

России были проведены Московский солнечный саммит (1996 г. ), международный конгресс и выставка «Бизнес и инвестиции в области воспроизводимых источников энергии в России» (1999 г. ).

В Московском государственном строительном университете разработана программа «Солнечный дом» и создан проект жилого дома СОЛ-1 (руководитель – архитектор Т. В. Захарова), награжденный золотой медалью на выставке «Жилище-99». В нем используются только элементы пассивной системы, но в большем числе – две стены Тромба, гравийные накопители тепла в полуподвальном помещении, массивные полы, перекрытия и стены. Хорошим аккумулятором тепла служат сад и теплица, расположенные на втором этаже. Практически только в зимнее время приходится пользоваться дополнительными источниками тепла, расход которых сокращен на 70%. Из интервью с автором проекта стало известно, что стадия рабочего проектирования завершена, однако первый объект по СОЛ-1 будет построен в Германии. Ведутся, правда, переговоры о строительстве подобных домов в Московской области и в южных районах России.

Планируется создание «солнечной» деревни в Краснодарском крае. Есть промышленные организации – изготовители необходимой техники: фирма «Солнечный ветер» (Краснодар), завод «Красное знамя» (Рязань). Развитие идет, но ни одного «солнечного» дома в нашей стране еще не построено. По сравнению с широким фронтом подобных работ в западных странах то, что сделано у нас, – это капля в море.

Слышатся голоса, что отечественная промышленность и строительство не могут освоить новую энергосберегающую технику, нет квалифицированных кадров и в нашей стране надо поступать совсем по-другому. Наши промышленность и проектные институты могут внести свою лепту в общую мировую копилку по «солнечному» дому, например, разработанными у нас тепловыми коллекторами, высокоэффективными фотоэлементами, изделиями из древесины (традиционно отечественного материала), влаго- и огнестойкой после специальной обработки. Возможно, наши «солнечные» дома, особенно в сельской местности, будут больше тяготеть к деревянным конструкциям, чем на Западе. Но основная концепция энергосберегающего дома, по-видимому, должна быть единой – в Европе ли, в Америке или на необъятных просторах России. Нужна технологическая совместимость элементов «солнечного» дома, изготавливаемых у нас и за рубежом. Мы должны интегрироваться в этом деле со всем остальным миром, иначе безнадежно отстанем и будем вынуждены импортировать «солнечные» дома за валюту.

Прогресс все-таки виден: «солнечные» дома западных фирм стали появляться на страницах отечественных рекламных журналов («Красивые дома», «Современные дома» и др. ). Пройдет немного времени, и они заполонят российский строительный рынок, задушив нашу неспешную и робкую инициативу.

Солнце можно использовать как источник энергии и для транспортных средств. В Австралии уже 19 лет проводятся ежегодные гонки на солнечных электромобилях на трассе между городами Дарвин и Аделаида (3000 км).

В 1990 году компания Sanyo построила самолёт на солнечных батареях, которому удалось пересечь всю Америку. Знаменитый учёный, воздухоплаватель и искатель приключений Бертран Пикар сейчас проектирует самолёт «Солнечный импульс», на котором планирует совершить беспосадочный кругосветный полёт.

Когда-нибудь солнечная энергия обязательно войдет в каждый дом. И так же, как за первой ласточкой появляются стаи перелетных птиц, придут на смену сегодняшним задымленным городам чистые и светлые «солнечные» города. За это счастливое будущее надо бороться уже сейчас!

Солнечная энергетика еще в самом начале пути. Ее вклад в общее мировое энергопотребление не превышает 0,1%, а среди возобновляемых источников (энергия биомассы, геотермальные и приливные станции, ветровые турбины и др. ) ей принадлежит около 1%. Но технический прогресс, достигнутый в этой области за последнее десятилетие, так велик, а осознание настоятельной необходимости сохранения окружающей среды настолько серьезно, что солнечная энергетика продолжает развиваться все ускоряющимися темпами. Специалисты прогнозируют, что уже к середине XXI в. Солнечная энергетика наряду с другими возобновляемыми источниками энергии займет ведущее положение в мире.

Пока за солнечную энергетику «бьются» только ученые и небольшая часть общественности. Архитектор Т. В. Захарова в своем интервью по проекту СОЛ-1 высказалась просто и доходчиво: «Такие здания (энергосберегающие «солнечные» дома) должны стать не только источником экономии средств, но и предметом моды!» Тогда солнечная энергия действительно войдет в каждый дом.

Каким будет наше Солнце через несколько миллионов лет?

Миллионы звёзд окружают нас во Вселенной. Внутри звёзд протекают многообразные физические процессы, но на протяжении нескольких миллиардов лет её состояние оказывается устойчивым.

I. Типичная звезда – плотный, полностью ионизированный газ (водород) с температурой в центре примерно 10 млн. градусов. Наше Солнце – ближайшая из звёзд. За свою жизнь звезда проходит несколько стадий развития. В течение времени в результате термоядерных реакций происходит выгорание водорода прежде всего в центре звезды и превращение его в гелий. Зона максимального энерговыделения смещается во внешние слои и звезда разбухает. За счёт резкого возрастания потока энергии с поверхности падает её температура. Появляется красный гигант.

После стадии красного гиганта термоядерные реакции заканчиваются и начинается процесс гравитационного сжатия. Температура поверхности увеличивается, появляется белый свет. Размер падает до тех пор, пока не установится равновесие между гравитационными силами и силами давления вырожденного электронного газа. Важным свойством вырожденного газа является то, что его давление зависит от плотности и не зависит от температуры. Рождается белый карлик.

II. Если масса звезды приблизительно в 1,5 раза больше массы Солнца (Мс), эволюция такой звезды пойдёт по-другому. На этапе сжатия происходит процесс нейтронизации вещества. Размер падает до тех пор, пока не установится равновесие между гравитационным силами давления вырожденного нейтронного газа. Оказывается, что при этом достигаются очень большие плотности, сравнимые с плотностью вещества внутри атомного ядра появляется нейтронная звезда.

Определим состояние равновесия для сферически симметричной звезды, зависимость плотности и давления по радиусу, значение плотности и давления в центре звезды и радиус звезды.

1) Исследовать структуру нейтронной звезды с массой равной 1,5 Мс,

2) Исследовать структуру белого карлика с массой равной Мс.

Условие гравитационного равновесия сферически симметричной звезды записывается в виде:

- = 4π²ρ(r)

Уравнения (1) и (2) должны быть дополнены уравнением состояния p = Ai ρ5/3

В результате получаем:

- Масса звезды: 1,500Мс

- Радиус звезды: 12,602 км

- Плотность в центре: 21,429*1017 кг/м3

- Давление в центре: 1,8343283*1034 Па

ρ, 1018 км/м3 Р, 1034 Па

Масса звезды: 1,001 Мс

Радиус звезды: 28003,201 км

Плотность в центре: 130,310106 кг/м3

Давление в центре: 3,34968*109 Па

Как видно, если бы наше Солнце пришло бы в состояние нейтронной звезды, оно бы сжалось до размера 10 км!

Заключение

Человечеству нужна энергия, причем потребности в ней увеличиваются с каждым годом. Вместе с тем запасы традиционных природных топлив конечны. Конечны также и запасы ядерного топлива – урана и тория, из которого можно получить в реакторах – размножителях плутоний. Практически неисчерпаемы запасы термоядерного топлива – водорода, однако управляемые термоядерные реакции пока не освоены, и неизвестно когда они будут использованы для промышленного получения энергии в чистом виде, т. е. безучастия в этом процессе реакторов деления. В связи с указанными проблемами становится все более необходимым использование нетрадиционных энергоресурсов, в первую очередь солнечной, ветровой, геотермальной энергии, наряду с внедрением энергосберегающих технологий.

Ежемесячно каждый житель развитых стран тратит на свои нужды несколько сотен киловатт-часов, регулярно оплачивая эти расходы. Между тем наша планета ежесекундно и совершенно бесплатно получает около 50 миллиардов киловатт-часов солнечной энергии! Учёные подсчитали, что для удовлетворения всех энергетических нужд человечеству хватило бы и десятитысячной доли от этого энергетического потока. К сожалению, пока даже самые современные технологии не позволяют людям в полной мере использовать даровую солнечную энергию в необходимых объёмах. Пока лидерами её потребления на нашей планете являются растения.

В конце ХХ века люди стали разрабатывать приёмы, позволяющие улавливать солнечную энергию. Пока «поймать» её удаётся немного. Однако инженеры упорно стремятся создать эффективные солнечные батареи и панели, энергии которых хватило бы на более серьёзные задачи. В первой трети ХХI века только несколько процентов энергетических потребностей человечества будет удовлетворяться благодаря энергии Солнца, но в будущем эта доля многократно возрастёт.

Со временем большинство домов будут строиться с крышами, способными накапливать солнечное излучение и превращать его в электрическую энергию. Человек научиться подражать растениями станет синтезировать продукты из воды и воздуха. Автомобилям и самолётам не нужен будет бензин, а компьютеры не придётся втыкать в электрическую розетку. Время этих чудес настанет, когда человечество в полной мере научиться пользоваться ближайшим к нам источником космической энергии – звездой по имени Солнце.

Россия, к сожалению, продолжает прогрессирующим образом отставать от индустриального мира. Однако, наши промышленность и проектные институты могут внести свою лепту в общую мировую копилку по «солнечному» дому, например, разработанными у нас тепловыми коллекторами, высокоэффективными фотоэлементами, изделиями из древесины (традиционно отечественного материала), влаго- и огнестойкой после специальной обработки.

С каждым годом расширяется горизонт науки, расширяются пределы в пространстве и времени, до которых проникает человеческий разум. И, как говорил римский философ Сенека, несомненно, что на долю наших потомков останется большая часть истин, ещё не открытых