Солнце

Солнце - источник жизни

Солнце - источник тепла и света, без которых было бы невозможно возникновение и существование жизни на нашей планете. Уже наши предки понимали, насколько сильно их существование зависит от Солнца и относились к нему с почтительным благоговением, поклоняясь ему и обожествляя его образ. И хотя в настоящее время мы понимаем физическую природу Солнца и уже не наделяем его божественной сущностью, тем не менее его влияние на нашу жизнь от это не стало меньше. Такая высокая значимость Солнца является существенным стимулом понять как оно работает, почему изменяется и как эти изменения могут повлиять на нас с вами и, в целом, на жизнь на Земле. Наука дает нам возможность заглянуть в прошлое нашей звезды и позволяет утверждать, что во времена своей молодости (а это было более 4 миллиардов лет назад) Солнце светило значительно слабее, а еще через четыре миллиарда будет светить ярче, чем сейчас. Тем не менее жизнь на Земле существовала уже в то время, и это позволяет нам с оптимизмом смотреть в будущее, когда условия на Земле снова изменятся. Кроме постепенного увеличения светимости на протяжении миллиардов лет, Солнце может существенно меняться и за много более короткие промежутки времени. Самым известным периодом изменения Солнца является 11-летний солнечный цикл, на протяжении которого Солнце проходит через минимум и максимум своей активности. Наблюдения максимумов излучения на протяжении нескольких десятков лет позволили сделать вывод, что увеличение светимости Солнца, начавшееся миллиарды лет назад, продолжается и в наше время. За несколько последних циклов полная светимость Солнца возросла приблизительно на 0.1 %. Подобные изменения (как быстрые, так и постепенные) несомненно оказывают большое влияние на нашу жизнь, однако физические механизмы этого влияния все еще остаются неизвестными.

Солнце и космическая погода

Солнце является источником солнечного ветра, который представляет собой поток очень горячего ионизованного газа, непрерывно истекающего от Солнца в сторону Земли (и далее в межпланетное пространство) со скоростью более чем 500 км в секунду, то есть почти 2 миллиона километров в час. Поток этот мог бы представлять смертельную опасность для жизни на нашей планете, если бы мог достичь поверхности Земли. К счастью, наша планета - одна из немногих, которые обладают собственным сильным магнитным полем (магнитосферой). Поле это является непреодолимым препятствием для быстрых заряженных частиц, составляющих основу солнечного ветра, и останавливает их на большой высоте. В полярных областях, где линии магнитного поля направлены в сторону Земли, ускоренные на Солнцесолнечный ветер и не может проникнуть непосредственно к Земле, он при взаимодействии с земной магнитосферой возмущает и раскачивает ее. Это явление - возмущение земной магнитосферы при взаимодействии с солнечным ветром - получило название магнитных бурь, которые, как известно, могут оказывать влияние на здоровье и самочувствие людей. Помимо солнечного ветра, существенную опасность представляют вспышки на Солнце, во время которых излучаются значительные потоки ультрафиолетового и рентгеновского излучения, направленного в том числе и в сторону Земли. И хотя это излучение почти полностью поглощается газами земной атмосферы, оно представляет опасность для всего, что находится над поверхностью Земли, то есть может повредить спутники и угрожать здоровью космонавтов. И если мы заглянем в будущее, когда перед человечеством возникнет задача освоения Луны, Марса и возможно других планет Солнечной системы, не защищенных ни атмосферой, ни магнитным полем, то увидим, что реализация этой задачи невозможна без учета всех описанных эффектов космической погоды и без умения их предсказывать и от них защищаться. частицы получают возможность проникнуть намного ближе к поверхности. Благодаря этому мы можем наблюдать там одно из красивейших природных явлений - полярные сияния. Тем не менее, хотя

Строение Солнца

Структура

С точки зрения строения Солнце можно условно разделить на четыре зоны, в которых происходят различные физические процессы. Энергия излучения и тепловая энергия Солнца возникают глубоко внутри него, в солнечном ядре, и затем передается внешним слоям посредством излучения (преимущественно в гамма и рентгеновском диапазоне). Ближе к поверхности в передаче тепла начинают участвовать конвективные потоки плазмы (солнечное вещество начинает "кипеть"). Слой, в котором это происходит, называется конвективной зоной. Он начинается на глубине примерно 0.7 радиуса Солнца. Здесь между конвективной и радиационной зонами располагается очень тонкая граница раздела, называемая тахоклином (от английского tachocline). Предполагается, что на ней формируются солнечные магнитные поля.

Ядро

Центральная область внутреннего строения Солнца - это его ядро, где происходит ядерная реакция превращения водорода в гелий. В ходе этих реакций высвобождается энергия, которая в итоге высвечивается с поверхности Солнца в видимой области спектра. Для того, чтобы два ядра водорода столкнулись друг с другом и вступили в реакцию, их энергия должна быть достаточной для преодоления электрических сил отталкивания, действующих между всеми одинакого заряженными частицами. По этой причине реакция превращения водорода в гелий может протекать только при очень высокой температуре, когда все частицы имеют очень большую кинетическую энергию. Температура в самом центре Солнца составляет порядка 15 миллионов градусов, а плотность плазмы равна 150 г/см^3. Это примерно в 10 раз выше, чем плотность золота или свинца. По мере удаления от центра Солнца плотность и температура вещества уменьшаются. По этой причине ядерные реакции почти полностью прекращаются за внешней границей ядра (примерно 175 000 км от центра, что составляет 1/4 солнечного радиуса). Температура солнечного вещества на внешней границе ядра составляет только половину от значения температуры в центре, а плотность плазмы падает до 20 г/см^3.

В звездах, подобных Солнцу, ядерные реакции происходят путем трехступенчатого процесса, называемого протон-протонным или pp циклом. На первом шаге два протона сталкиваются и производят дейтерий, позитрон и нейтрино. На втором шагешаге три два ядра гелия-3 сливаются и производят обычное ядро гелия-4 и два свободных пронона. протон сталкивается с дейтерием чтобы произвести ядро изотопа гелия-3 и гамма квант. Наконец на

Во время этого процесса горения водорода и производства гелия ядерные реакции производят элементарные частицы, называемые нейтрино. Эти эфемерные частицы проходят сквозь все слои Солнца и межпланетное пространство и могут быть зарегистрированы на Земле. Число нейтрино, которые регистрируются таким способом, оказывается меньше, чем число, которое можно ожидать из теоретических представлений. Проблема недостатка солнечных нейтрино - одна из самых больших загадок физики Солнца, которая возможно будет решена теперь, после открытия массы нейтрино.

Лучистая зона

Лучистая зона (или зона лучистого переноса) - это часть строения Солнца, которая простирается от внешней границы солнечного ядра до тонкого пограничного слоя (тахоклина) на нижней границе конвективной зоны и занимает, таким образом, пространство примерно от 0.25 до 0.70 долей солнечного радиуса. Свое название эта зона получила от способа, которым осуществляется здесь перенос энергии Солнца от ядра к поверхности - через излучение. Произведенные в ядре фотоны движутся в лучистой зоне, сталкиваясь с частицами плазмы. В результате, хотя скорость фотонов равна скорости света, они сталкиваются и переизлучаются так много раз, что требуется около миллиона лет, прежде чем отдельный фотон сможет достичь верхней границы лучистой зоны и покинуть ее. Плотность плазмы при переходе от внутренней к внешней границе лучистой зоны резко уменьшается от 20 г/см³, что примерно равно плотности золота, до всего лишь 0.2 г/см³, что меньше, чем плотность воды. Температура на том же расстоянии падает от 7 миллионов градусов до примерно 2 миллионов.

Граница раздела (тахоклин)

Солнечное строение включает тонкий пограничный слой, находящийся между лучистой зоной и конвективной зоной и, по-видимому играющий чрезвычайно важную роль в формировании солнечного магнитного поля. Есть основания полагать, что именно здесь наиболее эффективно работает так называемый механизм магнитного динамо. Суть этого механизма в том, что потоки плазмы вытягивают силовые линии магнитного поля и тем самым увеличивают его напряженность. Похоже также, что в этой области происходит резкое изменение химического состава плазмы.

Конвективная зона

Конвективная зона это самый внешний из слоев, составляющих внутреннее строение Солнца. Он начинается на глубине около 200 000 км и простирается вплоть до солнечной поверхности. Температура плазмы в основании конвективной зоны все еще весьма высока - она составляет около 2 000 000° C. Но тем не менее этого уже недостаточно для полной ионизации тяжелых атомов (таких как углерод, азот, кислород, кальций и железо). Эти ионы с электронами на орбите эффективно поглощают поступающее из глубины Солнца излучение и делают среду менее прозрачной. Поглощая излучение, вещество внизу конвективной зоны нагревается, и начинается процесс его "кипения" (или конвекции). Конвекция начинается, когда градиент температуры (темп с которым температура падает с высотой) становится больше, чем так называемый адиабатический градиент (скорость уменьшения температуры элемента вещества при перемещении этого элемента вверх без дополнительного нагрева). Там, где выполняется это условие, объемы плазмы, перемещенные вверх, окажутся теплее, чем чем окружающая среда и по этой причине продолжат свой подъем далее уже без приложения внешних сил. Эти конвективные движения плазмы очень быстро переносят тепло из глубины Солнца к его поверхности. При этом поднимающееся вещество расширяется и охлаждается. При приближении к видимой поверхности Солнца температура плазмы падает до 5,700° K, а ее плотность становится равна только 0.0000002 г/см³ (около одной десятитысячной от плотности воздуха на уровне моря). Конвективные движения плазмы видны на ее поверхности как гранулы и супергранулы.

Солнце как звезда

Хотя Солнце из-за близости к нам и кажется уникальным по своим характеристикам объектом, оно тем не менее представляет собой обычную звезду и, благодаря этому, играет очень важную роль в понимании строения и эволюции всех остальных звезд во Вселенной. Ни одна из звезд, кроме Солнца, не расположена к нам настолько близко, чтобы мы могли разглядеть какие-либо детали на ее поверхности. Благодаря Солнцу, мы можем догадаться, что и другие звезды, рассыпанные по небу в виде точек, представляют в действительности сложные объекты с относительно холодной поверхностью и горячей атмосферой. Мы знаем возраст Солнца, его радиус, массу, яркость. Эту информацию мы можем сравнивать с моделями звездной эволюции и, удостоверившись в их правильности, применять их и к другим объектам нашей Вселенной. Таким образом, хотя внимание солнечной астрономии и сконцентрировано преимущественно на одном объекте, она учит нас многому и о звездах, и о планетных системах, и о галактиках, и даже о самой Вселенной.

Солнце как физическая лаборатория

Солнце производит энергию благодаря термоядерному синтезу - процессу, происходящему в самом центре Солнца, при котором четыре ядра водорода под действием давления окружающей среды сливаются в одно ядро гелия. Одним из доминирующих направлений современной энергетики является воспроизводство этого процесса в лабораторных условиях на Земле. Направление это получило название - управляемый термоядерный синтез. Многие ученые в настоящее время исследуют строение Солнца для того, чтобы понять, как ведет себя плазма в реальных физических условиях с тем, чтобы попытаться затем воспроизвести эти условия на Земле. Таким образом, является еще и гигантской естественной лабораторией, позволяющей проводить важные научные эксперименты, которые по тем или иным причинам пока нельзя поставить на Земле.

Характеристики Солнца: радиус, масса и расстояние

Радиус Солнца составляет 696 тыс. км, что в 109 раз превышает радиус Земли, причём полярный и экваториальный диаметры различаются не более, чем на 10 км. Соответственно, объём Солнца превышает земной в 1,3 миллиона раз. Масса Солнца в 330 000 раз больше массы Земли. Средняя плотность Солнца невелика — всего 1,4 г/см3, хотя в центре она достигает 150 г/см3. Ежесекундно Солнце излучает 3,84 × 10^26 Дж энергии, что в масс-энергетическом эквиваленте соответствует потере массы 4,26 миллионов тонн в секунду.

Характеристики Солнца

Расстояние до Солнца: 149.6 млн. км = 1.496· 10¹¹ м = 8.31 световая минута
Масса Солнца: 1.989 · 10³⁰ кг = 333 000 масс Земли

Радиус Солнца: 695 990 км или 109 радиусов Земли
Масса Солнца: 1.989 · 10³⁰ кг = 333 000 масс Земли
Светимость Солнца: 3.846  ·  10³³ эрг/сек

Температура поверхности Солнца: 5770 К
Плотность плазмы на поверхности Солнца: 2.07  ·  10^-7 г/см3 = 0.00016 плотности воздуха
Химический состав на поверхности: 70% водорода (H), 28% гелия (He), 2% остальных элементов (C, N, O, ...)  по массе

Температура в центре Солнца: 15 600 000 К
Плотность плазмы в центре Солнца: 150 г/см³ (в 8 раз больше плотности золота)
Химический состав в центре Солнца: 35% водорода (H), 63% гелия (He), 2% остальных элементов (C, N, O, ...)  по массе

Ускорение свободного падения на Солнце: 274 м/с² (в 27.9 раз больше, чем на поверхности Земли)
Вторая космическая скорость на Солнце: 618 км/с

Угловое расстояние Солнца на небе: 0.5 градуса (30 угловых минут)
Звездная величина Солнца: -26.7^m
Абсолютная звездная величина Солнца: +4.83^m

Скорость вращения на экваторе: 1 оборот за 25 суток
Скорость вращения на полюсах: 1 оборот за 30 суток
Наклон оси вращения Солнца: 82° 45' к плоскости земной орбиты 

Возраст Солнца: 4.57 миллиардов лет