Сергей Язев - Лекции о Солнце

Но какова же температура этого грандиозного источника энергии? Как установить соотношение между температурой излучателя и количеством излучаемой им энергии? Джон Гершель рассчитал, что «концентрация» излучаемой Солнцем энергии вблизи самого светила должна быть в 92 тысячи раз больше, чем у поверхности Земли. Должно ли это означать, что фотосфера должна быть в такое же количество раз жарче, чем тело, нагреваемое солнечными лучами на Земле?

Ученые, которые так считали, получали немыслимо высокие значения температуры фотосферы. Так, например, оценки шотландского исследователя Джона Ватерстона (1811–1883) давали более 7 миллионов градусов. Патер и знаменитый итальянский астроном Анжело Секки (1818–1878) в 1861 году определил температуру поверхности Солнца в 10 миллионов градусов. Эти оценки казались (и впоследствии оказались) фантастически завышенными.

Пьер Луи Дюлонг (1785–1838) и Алексис Терез Пти (1791–1820) еще в 1817 году выполнили ряд опытов, из которых следовало, что интенсивность излучения непропорциональна температуре излучателя! Это было правильное заключение, но конкретная зависимость, предложенная этими исследователями, оказалась также неверной. Дюлонг и Пти считали, что при росте температуры излучателя в арифметической прогрессии мощность излучения растет в прогрессии геометрической. В результате оценки температуры Солнца получились в тысячу раз меньше, чем у их предшественников: от 1461 до 1761 градуса (Пулье), или же 3000 градусов (французский физик Жюль Габриэль Виолль, 1841–1923).

Расхождения в оценках были слишком велики, доверять им было сложно. Премия, обещанная в 1876 году Парижской академией наук за лучшую работу по определению температуры Солнца, также мало что дала: премию получил упомянутый выше Виолль, но, как мы теперь знаем, он вдвое занизил температуру поверхности Солнца. Физические модели, применявшиеся при расчетах, были далеки от адекватных.

Ответ был, наконец, получен австрийским физиком Йозефом Стефаном (1835–1893) в 1879 году. Он экспериментально установил, что энергия, излучаемая нагретым телом, оказалась пропорциональной четвертой степени температуры! Это означало, что высокая мощность солнечного излучения вовсе не требует температуры в миллионы градусов. Еще один выдающийся австрийский физик Людвиг Больцман (1844–1906) в 1884 году вывел теоретически эту закономерность, получившую название закона Стефана – Больцмана.

Новые измерения потока солнечной энергии, падающего на Землю, и вычисления температуры поверхности Солнца на основе закона Стефана – Больцмана дали на рубеже XIX–XX веков значения, близкие к подтвержденным позднее другими методами – около 6000 градусов.

Независимый метод был также связан с изучением спектра Солнца. Если измерить, какое количество солнечной энергии приходит на Землю в разных диапазонах длин волн (например, определяя, сколько тепла приходит от Солнца, проникая сквозь красный, желтый и зеленый фильтры), выявляется еще одна любопытная закономерность: больше всего энергии попадает на Землю в диапазоне длин волн, соответствующих желтому цвету! Конечно, в потоке света от Солнца присутствуют и красные, и синие лучи, но больше всего желтых. Потому-то Солнце и кажется нам желтоватым. Потому-то все живые организмы на поверхности Земли, использующие солнечный свет для обеспечения своего существования, ориентируются на этот диапазон длин волн.

В 1893 году немецкий физик Вильгельм Вин (1864–1928) теоретически показал, что длина волны, на которую приходится максимум излучения в спектре, должна быть обратно пропорциональной температуре излучателя! Это означает, что при росте температуры излучателя максимум распределения энергии в спектре смещается в сторону коротких волн. Эта природная закономерность была названа законом смещения Вина . Но это означало, что по положению максимума распределения энергии в спектре Солнца можно вычислить температуру его поверхности! Расчеты снова дали величину, близкую к 6000 градусов, что совпадало с результатами на основе актинометрии – измерения общего потока солнечной энергии и применения закона Стефана – Больцмана. Работы Вина были удостоены Нобелевской премии по физике в 1911 году.

Итак, только к началу ХХ века люди узнали, какова же температура сияющей поверхности Солнца – фотосферы. Если учесть, что этому предшествовали тысячелетия догадок, поисков и исследований, это было, по сути, совсем недавно!