СОЛНЦЕ НА НЕБЕ
Наша планета вращается, словно гигантская Рас крученная юла. Одновременно она совершает свой годовой путь вокруг Солнца, двигаясь по воображаемой линии — орбите (лат. orbita — «колея», «дорога»). Мы не ощущаем этого перемещения Земли в пространстве и видим то же, что и наши далекие предки: каждое утро оранжевое Солнце поднимается из-за горизонта на востоке и, прокатившись по небосводу белым раскаленным диском, разливает на западе багровые краски заката.
Положение Солнца на небе зависит от времени года. В разгар зимы оно лениво прокатывается по небу, показываясь из-за горизонта всего на треть суток. Поздний зимний рассвет быстро сменяется ранними сумерками. Зато летом Солнце взлетает высоко вверх и совершает долгий путь, который длится порой до 16 часов. Такие различия видимого перемещения Солнца по небу в разные сезоны года возникают благодаря наклону земной оси. Эта воображаемая линия соединяет Северный и Южный полюса нашей планеты, иными словами — ее самую северную и самую южную точки. Проткните апельсин с помощью спицы и начните крутить его вокруг этой оси — получите модель вращения нашей планеты. Чтобы картинка была более точной, спицу надо немного наклонить. Не случайно ось вращения школьных глобусов тоже располагается не строго вертикально.
Орбита Земли, двигающейся вокруг Солнца, не является идеальным кругом. Она слегка вытянута, то есть является эллипсом. Это означает, что дважды в году Земля находится чуть ближе к Солнцу и дважды — чуть дальше. Можно подумать, что приближение к Солнцу и отдаление от него и вызывает смену времен года на нашей планете. Однако это не так. Причиной наступления зимы или лета является все тот же наклон земной оси.
Во время движения Земли по околосолнечной орбите этот наклон не меняется. В результате на одной части своей траектории наша планета больше повернута к Солнцу своей нижней половинкой (Южным полушарием). На другом отрезке пути больше солнечной энергии получает верхняя часть земного шара (Северное полушарие). Представьте себе, что вы греетесь у костра, наклонившись к огню и протянув к нему руки. Не меняя положения тела, обойдите костер и встаньте с другой его стороны. Теперь греться будут ноги и задняя часть туловища. Примерно такая же ситуация происходит и с нашей планетой во время ее движения вокруг Солнца. Если бы смена времен года зависела от расстояния, которое отделяет нашу планету от Солнца, тогда зима и лето наступали бы дважды в течение года.
Моменты, когда высота Солнца над горизонтом в полдень максимальна или минимальна, называют солнцестояниями. Летнее солнцестояние приходится на 21–22 июня. Именно в это время день длится дольше всего. Самый короткий день — во время зимнего солнцестояния, 21–22 декабря. Весной, 20–21 марта, и осенью, 23 сентября, наступают моменты равноденствия, когда продолжительность дня равна продолжительности ночи.
Во время вращения Земли вокруг своей оси и по солнечной орбите иногда возникают моменты, когда диск Солнца полностью закрывается Луной. Дневной свет меркнет, ненадолго наступают сумерки, а на небе становятся видны звезды. Если лунный диск перекрывает Солнце лишь своим краем, говорят о частичном солнечном затмении. Лунная тень образует на поверхности Земли пятно диаметром около 100 км. Поэтому полное солнечное затмение видно не в любой точке земной поверхности. Благодаря вращению Земли вокруг своей оси лунная тень скользит по Земле, образуя длинную полосу. Последний раз полное солнечное затмение в восточной части России произошло 9 марта 1997 г.
ЭНЕРГИЯ СОЛНЦА И ЧЕЛОВЕК
Электроэнергию, которую люди потребляют в своих квартирах, обычно измеряют в киловатт-часах. 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. Ученые 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 объемах. Пока лидерами ее потребления на нашей планете являются растения. Животные не могут ее использовать для поддержания собственной жизни.
Лежащий на пляже человек загорит, нагреется и проголодается. Он никогда не сможет жить только благодаря солнечной энергии. Растения обладают этой удивительной способностью благодаря особому веществу — хлорофиллу (греч. chloros — «зеленый», phylum — «лист»). С его помощью из молекул углекислого газа они производят разновидность сахара — глюкозу (греч. glykys — «сладкий»). Такой процесс называется фотосинтезом (греч. photos — «свет», synthesis — «соединение»), то есть соединением (синтезом) простых веществ в более сложные под воздействием солнечной энергии. Другими словами, с помощью солнечной энергии растения производят пищу буквально из воздуха!
Если задуматься, фотосинтез — фантастический и таинственный процесс! Представь, что люди создадут небольшой домашний прибор, способный осуществлять фотосинтез. В электрическую розетку прибор включать не надо. Он будет улавливать лучи Солнца с помощью солнечных батарей. Углекислый газ специально подводить тоже не надо — его хватает в окружающем воздухе. В одно отверстие такого прибора будет ежедневно наливаться вода, поскольку она необходима для фотосинтеза, а из другого будет высыпаться сахарный песок. Звучит невероятно! Люди такой фокус пока проделать не могут, а вот растения совершают его каждую минуту, улавливая солнечные лучи.
Благодаря фотосинтезу растения каждый год не только создают миллиарды тонн питательных веществ, но и растут. Жар, которым пышут дрова в печке, — это энергия Солнца, которую когда-то запасли деревья для своих нужд. Каменный уголь образовался из древних растений. Его энергия также имеет «солнечное» происхождение. По мнению многих ученых, нефть и получаемый из нефти бензин своим происхождением обязаны нашему дневному светилу. Получается, что и автомобили двигает Солнце! Для работы гидроэлектростанций тоже нужно солнечное тепло. Попробуй сам объяснить, как в этом случае энергия Солнца превращается в электрический ток…
В конце XX века люди стали разрабатывать приемы, позволяющие улавливать солнечную энергию. Пока «поймать» ее удается немного. Однако инженеры упорно стремятся создать эффективные солнечные батареи и панели, энергии которых хватило бы на более серьезные задачи. В первой трети XXI века только несколько процентов энергетических потребностей человечества будет удовлетворяться благодаря энергии Солнца, но в будущем эта доля многократно возрастет.
Со временем большинство домов будут строиться с крышами, способными накапливать солнечное излучение и превращать его в электрическую энергию. Человек научиться подражать растениям и станет синтезировать продукты из воды и воздуха. Автомобилям и самолетам не нужен будет бензин, а компьютеры не придется втыкать в электрическую розетку. Время этих чудес настанет, когда человечество в полной мере научится пользоваться ближайшим к нам источником космической энергии — звездой по имени Солнце.
ТАИНСТВЕННОЕ ПРИТЯЖЕНИЕ
Отчего Земля двигается вокруг Солнца по своей орбите? Отчего она не улетает от него в бездонную глубину космоса или не падает на наше светило? Это объясняется действием центробежной силы. Именно она заставляет отклоняться подвесные сиденья на вращающейся карусели. Под воздействием центробежной силы камень вылетает из раскрученной пращи («убегает» от ее центра). Эта сила тем больше, чем массивнее вращающееся тело и выше его скорость.
Именно центробежная сила не позволяет нашей планете упасть на Солнце. Однако что же играет роль веревки, удерживающей ее на орбите? Впервые ответить на этот вопрос смог в XVII веке знаменитый английский физик Исаак Ньютон. Согласно легенде он однажды увидел падение яблока в саду. Из этого обычного явления Ньютон сделал гениальное обобщение, сформулировав закон всемирного тяготения. Не только Земля притягивает к себе яблоко. Все тела притягиваются друг к другу! Яблоко тоже воздействует на Землю. Однако сила этого притяжения так мала, что не оказывает практически никакого влияния на движение нашей массивной планеты.
Силу тяготения иначе называют силой гравитации (лат. gravitas — «тяжесть»). Чем массивнее тела, тем с большей силой они притягиваются друг к другу. Сила тяготения зависит и от расстояния между телами. Чем оно меньше, тем сильнее гравитация. Человек и стоящая перед ним на столе чашка притягиваются друг к другу. Поскольку массы этих двух тел невелики, человек не чувствует силы притяжения к чашке, а чашка никогда не сдвинется под воздействием этой силы со своего места. Иное дело Солнце и Земля.
Диаметр Солнца составляет более миллиона километров, а для того чтобы выразить его массу в миллионах тонн, потребуется цифра с двадцатью нулями. Неудивительно, что такое гигантское тело цепко удерживает нашу планету посредством силы притяжения. По сравнению с Солнцем наша планета обладает крошечной массой. Поэтому Земля, хотя и притягивает к себе Солнце, воздействие этой силы на небесное светило почти не сказывается.
Для того чтобы улететь с Земли в космическое пространство, необходимо преодолеть силу ее притяжения. Наша планета с помощью этой силы удерживает свою атмосферу. Газы, из которых состоит Солнце, притягиваются к центру светила, где возникает чудовищное давление. В результате начинается термоядерный синтез и выделяется гигантская энергия, которая может разорвать Солнце как бомбу. Однако взрыва не происходит, поскольку силы притяжения постоянно стягивают внешние слои Солнца по направлению к его центру.
С гравитацией мы имеем дело в течение всей жизни. Вместе с тем, несмотря на распространенность и обыденность гравитации, она не становится от этого понятной. Действительно, с чего бы тела, никак не связанные друг с другом, должны друг друга притягивать?