СОЛНЦЕ И СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГИЯ
ЧТО ДАЕТ НАМ СОЛНЦЕ?
Вся энергия, которой мы пользуемся на Земле, берется от Солнца. На первый взгляд, это не совсем понятно. Ведь зимой в средних и, тем более, высоких широтах Солнце почти не греет, однако мы обходимся без помощи солнечной теплоты и жжем в печах дрова или уголь. Кроме того мы применяем энергию мощных паровых и электрических двигателей, пользуемся силой воды, иногда силой ветра, и даже не вспоминаем о Солнце!
Рассуждая так, забывают, что наши паровые и электрические двигатели работают не сами собой, а требуют топлива. Их топят дровами или углем. Но дрова — это деревья из лесу, а дерево не растет без достаточного тепла и света, даваемого ему Солнцем. Вся ткань дерева — это словно вместилище накопленной солнечной энергии. Уголь же не что иное, как остатки первобытных лесов, произраставших много миллионов лет тому назад, — то есть опять-таки накопленная солнечная энергия.
А водяные двигатели? Тут как будто Солнце не причем: колеса вертит вода. Откуда, однако, берется вода и как она накопляется? Если бы на Земле не было дождей и снега, все реки давно иссякли бы, а дождь и снег образуются из влаги, поднятой с Земли Солнцем.
Точно так же и ветер возникает от того, что различные части земной поверхности нагреваются неравномерно и тем дают начало движениям воздуха. Итак, вся энергия на Земле происходит от Солнца. Наша мускульная и умственная энергия, в конечном счете, зависит тоже от Солнца: без пищи человек существовать не может, а пища его — та же солнечная энергия, скопленная в клетках животных или растений.
Сколько же тепла дает нам непосредственно само Солнце? В одну секунду Солнце излучает кругом себя такое количество тепла, которое может растопить слой льда в виде столба диаметром в 4 км и протяжением от Земли до Солнца, т. е. 150 миллионов км! А если выразить в свечах силу солнечного света, то получится 1275 с 24 нулями! Из всего этого громадного количества тепла и света Земля получает менее миллиардной части. Но и этого вполне достаточно для поддержания жизни на Земле.
Значительная часть солнечных лучей задерживается атмосферой, — тем больше, чем большую толщу воздуха им приходится проходить, т. е. чем ближе Солнце к горизонту. У границ атмосферы каждый кв. см поверхности, перпендикулярной к направлению солнечных лучей, получает за 1 минуту около 2 мал. калорий (калория — количество тепла, которое нагревает 1 г воды на 1° Ц); на поверхности Земли кв. см получает в среднем около 1,3 мал. калории[1]. Когда Солнце в зените, атмосфера поглощает около 30 % его излучения, когда оно у горизонта — около 75 %. И все таки Земля за сутки получает больше тепла, чем дает все топливо, сжигаемое человечеством за 1000 лет! Часть земного шара, занятая сушей, получает от Солнца менее чем в год энергию, равную запасу ее в каменном угле всего земного шара.
ПОГАСНЕТ ЛИ СОЛНЦЕ?
Вопрос этот, конечно, имеет для нас очень серьезное значение. Положим, "на наш век хватит", но человеку сознательному свойственно задумываться о будущем Земли и человечества далеко за пределами нашей ограниченной жизни. В самом деле, не может же Солнце "безнаказанно" излучать в пространство такие колоссальные количества энергии! Откуда они берутся, как восполняются и на сколько времени их может хватить?
Нельзя сказать, чтоб эти вопросы были в полной мере разрешены, но все же астрономы дают на них пока довольно утешительные ответы. С исторических времен нет никаких указаний на то, чтобы солнечная энергия уменьшилась. Как пополняются ее запасы — это иное дело. Если принять гипотезу о том, что теплота Солнца пополняется путем его постепенного сжатия, то оказывается, что запасов теплоты хватило бы не более чем на 15 миллионов лет, — а между тем, согласно исследованиям геологов, даже Земля много старше. Приходится поэтому думать, что энергия Солнца поддерживается иным образом, вернее всего — процессами внутриатомного превращения элементов, а как именно — это пока еще является загадкой.
По мнению астрономов, Солнце имеет шансы дожить до возраста в несколько сотен биллионов лет, если только какая-нибудь звезда не налетит на него случайно и не уничтожит его вместе со всей планетной системой; но такие столкновения крайне маловероятны, хотя теоретически и возможны.
СОЛНЕЧНЫЕ МАШИНЫ
Раз энергия Солнца, получаемая Землей, так велика, отчего бы не использовать его лучи в качестве двигательной силы для машин? Это была бы даровая и практически неистощимая энергия.
Однако, теплоту Солнца можно с выгодой использовать только в таких странах, где небо по большей части безоблачно, иначе у нашей машины будут большие простои. Да и в жарких странах солнечное освещение далеко не постоянно в течение суток. Во-вторых, для получения от Солнца нагревания воды до такой температуры, чтобы ее пар мог приводить в движение паровую машину, нужны по большей части очень громоздкие, широко раскинутые установки.
Чтоб сосредоточить солнечные лучи на котле такой машины, употребляются системы вогнутых зеркал, углы наклона которых меняются соответственно движению Солнца по небу, — для более полного использования его лучей. И все же получается машина с очень невысоким "коэффициентом полезного действия", т. е. очень незначительная часть падающей на них энергии превращается в работу.
Тем не менее, солнечные машины работают в некоторых странах, например, в Каире (станция Шумана), в Калифорнии и др. По подсчету известного шведского физика Аррениуса, энергия от станции Шумана обходится примерно в 5 коп. за киловатт-час.[2] В Америке, на горе Вильсон, при обсерватории устроена профессором Абботом "солнечная кухня", без топлива, обслуживающая всю обсерваторию.
Ряд усовершенствований, внесенных в последнее время в конструкцию солнечных двигателей работами американских и французских ученых, нашего физика проф. Б. П. Вейнберга и других, позволяет надеяться, что полезное действие этих двигателей может быть значительно увеличено. Разве не великолепная перспектива — использовать громадные площади бесплодных жгучих пустынь для установки мощных солнечных двигателей? Учеными рассчитано, что даже 1 % солнечной энергии, приходящейся на Сахару, в 10 раз превышает мировую потребность в энергии. Дело, значит, лишь за техническими усовершенствованиями, а это не непреодолимо, Думать же о замене нашего теперешнего топлива другими источниками энергии поневоле приходится, так как, не говоря уже о дровах, даже запасы каменного угля и нефти ограничены, и трудно сказать, на сколько времени их хватит человеку, имея в виду колоссальный рост их потребления.
В плане нашей метеорологической службы имеются специально вопросы "солнечного кадастра", т. е. исследования и учета запасов солнечной энергии в нашем Союзе. Этими вопросами занимаются наши "солнечники" — Н. Н. Калитин, Б. П. Вейнберг и др. Наиболее благоприятными в отношении солнечной энергии являются те части Союза, где Солнце бывает сравнительно редко покрыто облаками, — по преимуществу наши среднеазиатские республики с их сухим и жарким климатом. Именно там проф. Вейнбергом и рядом местных работников устроены первые солнечные силовые установки.
Выдающийся интерес представляют работы К. Г. Трофимова в Ташкенте: им построены баня, прачечная, водоподъемник, опреснитель и др. установки, действующие исключительно за счет энергии Солнца; некоторые из них используются промышленностью.
ОТЧЕГО МЫ ЗАГОРАЕМ?
Всем известно, что мы загораем от Солнца, но не столь многие знают, что загар вызывается не всеми лучами, испускаемыми Солнцем, а преимущественно теми невидимыми лучами солнечного спектра, которые называются ультрафиолетовыми. Эти лучи, действуя на кожу, образуют в ней особое красящее вещество — пигмент, который в дальнейшем предохраняет клетки организма от более глубокого проникновения этих лучей: избыток их вреден. Если, не будучи привычным, подвергаться действию Солнца чрезмерно долго, можно получить очень серьезные ожоги, а иногда и более опасные расстройства здоровья. Это надо помнить всем, кто, попав летом на юг, начинает увлекаться солнечными ваннами.
Загореть и обжечься можно, впрочем, не только на юге, но и в более высоких широтах и даже на крайнем севере. Летом Солнце стоит там достаточно высоко, а прозрачность воздуха, лишенного пыли, позволяет сравнительно легко проникать солнечным лучам, в том числе и ультрафиолетовым. Мы привыкли думать, что полюс получает очень мало солнечного тепла и света в сравнении с экваториальными областями. Но "полярная ночь" и низкое стояние Солнца над горизонтом в значительной степени уравновешивается долгим "полярным днем" с незаходящим Солнцем. В среднем за год полюс, как оказывается по подсчетам, получает 41 % солнечной энергии, получаемой экватором; не так уж мало! А во время летнего солнцестояния северный полюс получает на 36 % больше солнечного тепла, чем экватор.[3] Не приходится удивляться, что там можно и загореть; это и испытывали на себе многие полярные исследователи.
СТЕКЛО ЖИЗНИ
Опасности получить ожоги от Солнца подвергаются также путешественники на высоких горах, где разреженный и чистый воздух легко пропускает солнечные лучи. Зато в комнате, при закрытых окнах, загореть невозможно: оконные стекла совершенно не пропускают как раз тех ультрафиолетовых лучей, от которых зависит загар. А так как ультрафиолетовые лучи в небольшом количестве бесспорно полезны для организма, возбуждая его жизнедеятельность, то изобретатели давно стремились найти такой состав стекла, чтоб оно пропускало эти лучи. Кварц обладает этим свойством; отсюда лечебное действие кварцевых ламп; но этот минерал слишком дорог. В последнее время немцам удалось изобрести дешевое стекло, названное "стеклом жизни"; делают его теперь и у нас. В комнате с такими окнами и даже при электрической лампочке из такого стекла можно загореть дома не хуже, чем на открытом воздухе. Врачи, однако, не советуют чрезмерно увлекаться этим стеклом, так как слишком широкое его распространение, подвергая человека очень длительному воздействию ультрафиолетовых лучей, может дать больше вреда, чем пользы.
ГДЕ ТЕПЛЕЕ: БЛИЖЕ К ЗЕМЛЕ ИЛИ К СОЛНЦУ?
Всякий скажет, что чем ближе к Солнцу, тем должно быть теплее. Конечно, если б мы могли приблизиться вплотную к Солнцу, нам стало бы не только тепло, а, пожалуй, и очень жарко, так как температура даже внешних слоев Солнца исчисляется примерно в 6000 градусов. Но если не предпринимать таких грандиозных путешествий, а оставаться в пределах нашей земной атмосферы, то окажется, что чем дальше мы удаляемся от поверхности Земли, тем становится холоднее. Это хорошо знают туристы, поднимающиеся на высокие горы, а также авиаторы, которые при полете надевают даже летом теплую одежду в расчете на холодные верхние слои воздуха.
В чем же тут дело? В том, что для Земли и ближайших к ней слоев воздуха главнейшим источником тепла служит не непосредственно само Солнце, а уже нагретая им земная поверхность, которая играет роль как бы печки. От нее ближайшие слои воздуха нагреваются путем передачи от частицы к частице — теплопроводностью— а также и от того, что теплый воздух становится легче и вытесняется вверх более холодным ("конвекция"). Большое значение имеет также "турбулентность" или беспорядочные движения воздушных частиц вверх и вниз под влиянием как различного нагревания соседних участков, так и неровностей земной поверхности. Эти движения иногда можно видеть непосредственно глазом в теплые солнечные дни, когда воздух у земли словно дрожит и струится и очертания предметов у горизонта кажутся размытыми.