Что происходит с температурой в фотосфере

В каких пределах изменяется температура на солнце от его центра до фотосферы кратко

Солнце излучает в космическое пространство колоссальный по мощности поток излучения, который в значительной мере определяет физические условия на Земле и других планетах, а также в межпланетном пространстве.
Земля получает всего лишь одну двухмиллиардную долю солнечного излучения. Однако и этого достаточно, чтобы приводить в движение огромные массы воздуха в земной атмосфере, управлять погодой и климатом на земном шаре.

Большинство источников энергии, которые использует человечество, связаны с Солнцем.
Тепло и свет Солнца обеспечили развитие жизни на Земле, формирование месторождений угля, нефти и газа.

Количество приходящей от Солнца на Землю энергии принято характеризовать солнечной постоянной.

Солнечная постоянная – поток солнечного излучения, который приходит на поверхность площадью 1 м2, расположенную за пределами атмосферы перпендикулярно солнечным лучам на среднем расстоянии Земли от Солнца (1 а.е.).
Солнечная постоянная равна 1,37 кВт/м2 .

Умножив солнечную постоянную на площадь поверхности шара, радиус которого 1 а.е., определим полную мощность излучения Солнца, его светимость, которая составляет
L = 4•1026 Вт.

Состав и строение Солнца

Для изучения Солнца используются телескопы особой конструкции – башенные солнечные телескопы.
Башенный солнечный телескоп Крымской астрофизической обсерватории БСТ-1 (1957 г.)
Система зеркал непрерывно поворачивается вслед за Солнцем и направляет его лучи вниз на главное зеркало, а затем они попадают в спектрографы или другие приборы, с помощью которых проводятся исследования Солнца.

Благодаря большому фокусному расстоянию солнечных телескопов (до 90 м) можно получить изображение Солнца диаметром до 80 см и детально изучать происходящие на нем явления.
Они лучше видны на спектрогелиограммах – снимках Солнца, которые сделаны в лучах, соответствующих спектральным линиям водорода, кальция и некоторых других элементов.
Солнце в ультрафиолетовых лучах
Солнце в красных лучах излучения водорода
Солнце в рентгеновских лучах

Химический состав Солнца:
водород составляет около 70% солнечной массы,
гелий – более 28%,
остальные элементы – менее 2%. Количество атомов этих элементов в 1000 раз меньше, чем атомов водорода и гелия.
Диаграмма химического состава Солнца
Вещество Солнца сильно ионизовано: атомы, потерявшие электроны своих внешних оболочек и ставшие ионами, вместе со свободными электронами образуют плазму.
Средняя плотность солнечного вещества примерно 1400 кг/м3. Она соизмерима с плотностью воды и в 1000 раз больше плотности воздуха у поверхности Земли.

Сделаем приближенный расчет величины давления для слоя, лежащего на расстоянии R/2 от центра Солнца.
При этом будем считать, что плотность вещества внутри Солнца всюду равна средней.
Сила тяжести на этой глубине определяется массой вещества, заключенной в радиальном столбике, высота которого R/2, площадь S, а также ускорением свободного падения на поверхности сферы радиусом R/2.

Сделаем приближенный расчет величины давления для слоя, лежащего на расстоянии R/2 от центра Солнца.
При этом будем считать, что плотность вещества внутри Солнца всюду равна средней.
Сила тяжести на этой глубине определяется массой вещества, заключенной в радиальном столбике, высота которого R/2, площадь S, а также ускорением свободного падения на поверхности сферы радиусом R/2.
Подставив необходимые данные в формулу р = mg/S, получим, что давление равно примерно 6,6•1013 Па, т. е.
в 1 млрд раз превосходит нормальное атмосферное давление.

Более точные расчеты, проведенные с учетом изменения плотности с глубиной, дают результаты, лишь незначительно отличающиеся от полученных выше: р = 6,1•1013 Па, Т = 3,4•106 К.
Согласно современным данным, в центре Солнца температура достигает 15 млн К, давление 2• 1018 Па, а плотность вещества значительно превышает плотность твердых тел в земных условиях: 1,5 • 105 кг/м3 , т. е. в 13 раз больше плотности свинца.

При высокой температуре в центральной части Солнца протоны, которые преобладают в составе солнечной плазмы, имеют столь большие скорости, что могут преодолеть электростатические силы отталкивания и взаимодействовать между собой.
В результате такого взаимодействия происходит термоядерная реакция: четыре протона образуют альфа-частицу (ядро гелия).

Энергия гамма-квантов обеспечивает излучение Солнца.
Все три типа нейтрино (электронное, мюонное и таонное) столь слабо взаимодействуют с веществом, что свободно проходят сквозь Солнце и Землю.
Кинетическая энергия, которую приобретают образующиеся в ходе реакции частицы, поддерживает высокую температуру плазмы, и тем самым создаются условия для продолжения термоядерного синтеза.

Из недр Солнца наружу энергия передается двумя способами:
излучением, т. е. самими квантами, и конвекцией, т. е. веществом.

Сразу за конвективной зоной начинается атмосфера, которая простирается далеко за пределы видимого диска Солнца.
Ее нижний слой – фотосфера – воспринимается как поверхность Солнца.
Верхние слои атмосферы непосредственно не видны и могут наблюдаться либо во время полных солнечных затмений, либо из космического пространства, либо при помощи специальных приборов с поверхности Земли.

Вопросы (с.142-143)
Из каких химических элементов состоит Солнце и каково их соотношение?
Каков источник энергии излучения Солнца? Какие изменения с его веществом происходят при этом?
Какой слой Солнца является основным источником видимого излучения?
Каково внутреннее строение Солнца? Назовите основные слои его атмосферы.
В каких пределах изменяется температура на Солнце от его центра до фотосферы?
Какими способами осуществляется перенос энергии из недр Солнца наружу?

Солнце — центральное тело Солнечной системы — является типичным представителем звезд, наиболее распространен­ных во Вселенной тел. Масса Солнца составляет 2·10 30 кг. Как и многие другие звезды, Солнце представляет собою огромный шар, который состоит из водородно-гелиевой плазмы и находится в равновесии в поле собственного тяго­тения. Изучение физических процессов, происходящих на Солнце, имеет важное значение для астрофизики, поскольку эти процессы свойственны, очевидно, и другим звездам, но только на Солнце мы можем наблюдать их достаточно де­тально.

Солнце излучает в космическое пространство колос­сальный по мощности поток излучения, который в зна­чительной мере определяет физические условия на Земле и других планетах, а также в межпланетном пространстве. Земля получает всего лишь одну двух миллиардную долю солнечного излучения. Однако и этого достаточно, чтобы приводить в движение огромные массы воздуха в земной атмосфере, управлять погодой и климатом на земном шаре. Все источники энергии, которые использует человечество, связаны с Солнцем. Тепло и свет Солнца обеспечили разви­тие жизни на Земле, формирование месторождений угля, нефти и газа.

Количество приходящей от Солнца на Землю энергии принято характеризовать солнечной постоянной.

Солнечная постоянная — поток солнечного излучения, ко­торый приходит на поверхность площадью 1 м 2 , располо­женную за пределами атмосферы перпендикулярно солнеч­ным лучам на среднем расстоянии Земли от Солнца (1 a.е.).

Солнечная постоянная равна 1,37 кВт/м 2 . Умножив эту величину на площадь поверхности шара, радиус которого 1 а. е., определим полную мощность излучения Солнца, его светимость, которая составляет 4 · 10 26 Вт.

Знание законов излучения позволяет определить темпе­ратуру фотосферы Солнца. Энергия, излучаемая нагретым телом с единицы площади, определяется законом Стефана — Больцмана:

Светимость Солнца известна, остается узнать, какова площадь поверхности Солнца.

С Земли мы видим Солнце как небольшой диск, край кото­рого достаточно четко определяет фотосфера (и переводе с греческого — сфера света). Так называется тот слой, от кото­рого приходит практически все видимое излучение Солнца. Он имеет толщину всего 300 км и выглядит как поверхность Солнца. Угловой диаметр солнечного диска примерно 30′. Зная расстояние до Солнца (150 000 000 км), нетрудно вычис­лить его линейные размеры и площадь поверхности. Радиус Солнца равен приблизительно 700 000 км. Теперь можно уз­нать, какова температура фотосферы. Светимость Солнца

где σ = 5,67 · 10 -8 Вт/(м 2 · К 4 ). Отсюда

Подставив в эту формулу численные значения входящих в нее величин, получим Т = 6000 К, Очевидно, что такая тем­пература может поддерживаться лишь за счет постоянного притока энергии из недр Солнца.

2. Состав и строение Солнца

Для изучения Солнца используются телескопы особой конст­рукции — башенные солнечные телескопы (рис. 5.1). Система зеркал непрерывно поворачивается вслед за Солнцем и направ­ляет его лучи вниз на главное зеркало, а затем они попадают в спектрографы или другие приборы, с помощью которых прово­дятся исследования Солнца. Благодаря большому фокусному расстоянию солнечных телескопов (до 90 м) можно получить изображение Солнца диаметром до 80 см и детально изучать происходящие на нем явления. Они лучше видны на спектроге­лиограммах (см. цветную вклейку XII) — снимках Солнца, кото­рые сделаны в лучах, соответствующих спектральным линиям водорода, кальция и некоторых других элементов.

Современные данные о хими­ческом составе Солнца таковы: водород составляет около 70% солнечной массы, гелий — более 28%, остальные элементы — ме­нее 2%. Количество атомов этих элементов в 1000 раз меньше, чем атомов водорода и гелия. Эти со­отношения представлены на ри­сунке 5.2.

Вещество Солнца сильно ионизовано: атомы, потерявшие электроны своих внешних оболо­чек и ставшие ионами, вместе со свободными электронами образу­ют плазму. Средняя плотность солнечного вещества примерно 1400 кг/м 3 . Она соизмерима с плотностью воды и в 1000 раз больше плотности воздуха у поверхности Земли.

Сила тяжести на этой глубине определяется массой веще­ства, заключенной в радиальном столбике, высота которого R/2, площадь 5, а также ускорением свободного падения на поверхности сферы радиусом R/2. Масса вещества в этом столбике равна:

а ускорение на расстоянии R/2 (согласно закону всемирного тяготения) выражается так:

так как объем этой сферы составляет 1/8 от объема всего Солн­ца. Подставив необходимые данные в формулу p = mg/S, полу­чим, что давление равно примерно 6,6 · 10 13 Па, т. е. в 1 млрд. раз превосходит нормальное атмосферное давление. Для вы­числения температуры воспользуемся уравнением Клапейро­на-Менделеева

где R — универсальная газовая постоянная, а М — молярная масса водородной плазмы. Если считать, что в состав вещест­ва входят в равном количестве протоны и электроны, то она примерно равна 0,5 · 10 -3 кг/моль. Тогда Т = 2,8 · 10 6 К. Более точные расчеты, проведенные с учетом изменения плотности с глубиной, дают результаты, лишь незначительно отличаю­щиеся от полученных выше: р = 6,1 · 10 13 Па, T = 3,4 · 10 6 К.

Согласно современным данным, температура в центре Солнца достигает 15 млн. К, давление 2·10 18 Па, а плотность вещества значительно превышает плотность твердых тел в земных условиях: 1,5 · 10 5 кг/м 3 , т.е. в 13 раз больше плот­ности свинца. Тем не менее применение газовых законов к веществу, находящемуся в этом состоянии, оправдано тем, что оно ионизовано. Размеры атомных ядер, потерявших свои электроны, примерно в 10 тыс. раз меньше размеров са­мого атома, а размеры самих частиц довольно малы по срав­нению с расстояниями между ними. Это условие, которому должен удовлетворять идеальный газ, для смеси ядер и электронов, составляющих вещество внутри Солнца, выпол­няется несмотря на его высокую плотность.

При высокой температуре в центральной части Солнца протоны, которые преобладают в составе солнечной плазмы, имеют столь большие скорости, что могут преодолеть электростатические силы отталкивания и взаимодействовать между собой. В результате такого взаимодействия происхо­дит термоядерная реакция: четыре протона образуют аль­фа-частицу (ядро гелия) (рис. 5.4).

Термоядерная реакция включает такие этапы:

Из недр Солнца наружу эта энергия передается двумя способами; излучением, т.е. самими квантами, и конвекцией, т.е. веществом. Выделение энергии и ее перенос определяют внутреннее строение Солнца:

ядро — центральная зона, где при высоком давлении и температуре происходят термоядерные реакции;

наружная конвективная зона, где энергия от слоя к слою переносится самим веществом в результате перемешивания (конвекции).

Каждая из этих зон занимает примерно 1/3 солнечного радиуса (рис. 5.5).

Сразу за конвективной зоной начинается атмосфера, ко­торая простирается далеко за пределы видимого диска Солн­ца. Ее нижний слой — фотосфера — воспринимается как поверхность Солнца. Верхние слои атмосферы непосредствен­но не видны и могут наблюдаться либо во время полных сол­нечных затмений, либо из космического пространства, либо при помощи специальных приборов с поверхности Земли.

3. Атмосфера Солнца

Фотосфера — самый нижний слой атмосферы Солнца, в ко­тором температура довольно быстро убывает от 8000 до 4000 К, Следствием конвективного движения вещества в верх­них слоях Солнца является своеобразный вид фотосферы — грануляция (рис. 5.6). Фотосфера как бы состоит из отдельных зерен — гранул, размеры которых составляют в среднем не­сколько сотен (до 1000) километров. Гранула — это поток го­рячего газа, поднимающийся вверх. В темных промежутках между гранулами находится более холодный газ, опускающий­ся вниз. Каждая гранула существует всего 5 — 10 мин, затем на ее месте появляется новая, которая отличается от прежней по форме и размерам. Общая наблюдаемая картина при этом не меняется. Вещество фотосферы нагревается за счет энергии, поступающей из недр Солнца, а излучение, которое уходит в межпланетное пространство, уносит энергию, поэтому на­ружные слои фотосферы охлаждаются.

В самых верхних слоях фотосферы плотность вещества составляет 10 -3 — 10 -4 кг/м 3 . Здесь в условиях минимальной для Солнца температуры оказывается возможным существо­вание нейтральных атомов водорода и даже простейших мо­лекул и радикалов Н₂, ОН, СН.

Температура короны резко возрастает по сравнению с тем­пературой хромосферы и достигает 2 млн. К. Возможно, что при­чиной такого разогрева являются выбросы плазмы из глубинных слоев Солнца. Для короны, кото­рую можно наблюдать во время полных солнечных затмений как жемчужно-серебристое сияние, характерна лучистая струк­тура с множеством сложных деталей — дуг, шлемов и т. д. (рис. 5.7). Солнечная корона (рис. 5.8) явилась для астрофи­зики уникальной природной лабораторией, в которой удаст­ся наблюдать поведение вещества в условиях, недостижимых на Земле. Высокая температура короны обеспечивает полную ионизацию легких элементов, а у более тяжелых сохра­няются электроны, находящиеся на самых глубоких элек­тронных оболочках, Высокоионизованную плазму короны часто называют электронным газом, имея в виду, что число электронов, потерянных атомами, существенно превосходит число образовавшихся при этом положительных ионов.

4. Солнечная активность

Как правило, в атмосфере Солнца наблюдаются многообраз­ные проявления солнечной активности, характер протекания которых определяется поведением солнечной плазмы в маг­нитном поле — пятна, вспышки, протуберанцы, корональные выбросы и т.п. Наиболее известными из них являются солнеч­ные пятна, открытые еще в начале XVII в. во время первых наблюдений при помощи телескопа. По изменению положе­ния пятен па диске Солнца было обнаружено, что оно враща­ется. Наблюдения показали, что угловая скорость вращения Солнца убывает от экватора к полюсам, а время полного обо­рота вокруг оси возрастает с 25 суток (на экваторе) до 30 (вблизи полюсов).

Общее магнитное поле Солнца по форме линий магнитной индукции отчасти напоминает земное. Пятна появляют­ся в тех сравнительно небольших областях фотосферы Солнца, где магнитное поле усиливается в не­сколько тысяч раз по сравнению с общим фоном, и его индукция мо­жет достигать 0,4 — 0,5 Тл, Усиле­ние магнитного поля, которое ох­ватывает также лежащие выше области хромосферы и короны, яв­ляется характерным признаком активной области (центра актив­ности).

Сначала пятна наблюдаются как маленькие темные участки диаметром 2000 — 3000 км. Боль­шинство из них в течение суток пропадают, однако некоторые увеличиваются в десятки раз.

Такие пятна могут образовывать большие группы и существовать, меняя форму и размеры, на про­тяжении нескольких месяцев, т.е. нескольких оборотов Солнца.

У крупных пятен вокруг наиболее темной центральной части (ее называют тень) наблюдается ме­нее темная полутень (рис. 5.9).

В центре пятна температура ве­щества снижается примерно до 4000 К, поэтому в спектре пятен наблюдаются полосы поглощения некоторых двухатомных молекул, например СО, TiO, СН, CN. По­нижение температуры в районе пятна связано с действием маг­нитного поля, которое нарушает нормальную конвекцию и препятствует притоку энергии снизу, Вместе с тем вблизи пятен, где магнитное поле слабее, конвективные движения усиливаются, и появляются хорошо заметные яркие образования — факелы.

Самыми мощными проявлениями солнечной активности являются вспышки, в процессе которых за несколько минут иногда выделяется энергия до 10 25 Дж (такова энергия при­мерно миллиарда атомных бомб). Вспышки наблюдаются как внезапные усиления яркости отдельных участков Солнца в районе пятен (см. рис. 3 на цветной вклейке XII). Продолжи­тельность вспышек обычно около часа, а слабые длятся всего несколько минут. По своей сути вспышка — это взрыв, вызванный внезапным сжатием солнечной плазмы. Сжатие происходит под действием магнитного поля и приводит к образованию плазменного жгута или ленты, достигающих в длину десятков и даже сотен тысяч километров. Солнечная плазма в этой области может нагреваться до температуры по­рядка 10 млн. К. Возрастает кинетическая энергия выбросов веществ, движущихся в короне и уходящих в межпланетное пространство со скоростями до 1000 км/с. Получают допол­нительную энергию и значительно ускоряются потоки элект­ронов, протонов и других заряженных частиц. Усиливается оптическое, рентгеновское, гамма- и радиоизлучение. Де­тальная теория сложного комплекса явлений, наблюдаемых во время вспышек, пока еще не разработана, но, по современным представлениям, они связаны с возникновением и происходящим затем быстрым выделением избытка энергии в магнитных полях активных областей.

Потоки плазмы, обусловленные солнечными вспышками и корональными выбросами, через сутки-двое достигают ок­рестностей Земли. Вещество, выбрасываемое из солнечной короны, представляют собой плазму с магнитным полем (так называемые магнитные облака). Взаимодействие такого об­лака с магнитосферой Земли вызывает аномальное возмуще­ние — магнитную бурю. Магнитные бури вызывают возму­щение ионосферы, что приводит к нарушениям в прохож­дении радиосигналов, в частности, от навигационных спутни­ков. Изменение геомагнитного поля приводит к появлению индуцированных токов в линиях электропередачи и трубо­проводах.

Число пятен и протуберанцев, частота и мощность вспы­шек на Солнце меняются с определенной, хотя и не очень строгой периодичностью — в среднем этот период составля­ет примерно 11,2 года (рис. 5.11). Отмечается определенная связь процессов жизнедеятельности растений и животных, со­стояния здоровья людей и погодно-климатических аномалий с уровнем солнечной активности, однако механизм воздейст­вия этих процессов на земные явления еще не вполне ясен.

Космическое пространство содержит огромное количество звёзд с разными характеристиками. Для землян самым основным светилом является Солнце. Оно даёт энергию, греет и радует душу. Но какова температура Солнца? Ответ на этот вопрос будет изучен в статье.

Интересные факты

В составе звезды присутствуют следующие элементы:

• водород в количестве 70%;
• гелий в содержании 28%;
• металлические вещества и соединения – 2%.

Изображение поверхности и короны Солнца, полученное Солнечным оптическим телескопом (SOT) на борту спутника Hinode. Получено 12 января 2007 года.

О температурных значениях

Температура Солнца, особенно в центральной части звезды, является крайне высокой. Её значение составляет 14 млрд. градусов. Дело в том, что в ядерной части светила наблюдаются существенные термические реакции, при которых происходит деление ядер в условиях повышенного давления. Это провоцирует выделение одного ядра и вместе с ним огромного количества энергии.

Если изучать вопрос, какая температура на Солнце, с логической точки зрения, по мере углубления она должна становиться всё больше и больше, и происходит это резко. Однако определить точные показатели можно только в теории. Если рассматривать эти колебания послойно, можно сделать следующие отметки:

Но это неточный ответ на вопрос, какая температура на Солнце. Дело в том, что в настоящее время большое количество учёных из разных стран мира занимаются проведением исследований, в отношении определения строения светила. В земных условиях они не прекращают попыток формирования явления термоядерного синтеза для получения информации о поведении плазмы в естественных условиях.

Снимок Солнца 9 апреля 2013 года. Иллюстрация NASA/SDO.

Атмосферные особенности

На самом деле, толщина этого слоя составляет 500 км и именуется как фотосфера. В ней регулярно происходят конвекционные процессы. Вследствие их течения тепловые потоки постепенно переходят в фотосферу из самых низких ярусов. Солнце способно вращаться, но делает это не так, как любая другая планета, обращающаяся вокруг него. Оно является нетвёрдым, что создаёт определённые особенности его вращения. Аналогичные траектории и эффекты можно наблюдать у газовых гигантов.

Условия в фотосфере

Условия в хромосфере

Температура Солнца в градусах присутствует и в области хромосферы. Она представляет собой следующий атмосферный уровень, который считается более холодным и имеет температурный показатель в 4320 градусов. В связи с тем, что она включает в состав внушительное количество водорода, с виду кажется красной. Повышение температуры происходит в короне, которая может быть обнаружена при затмении, во время протекания плазмы наверх.

Показатель мощности Солнца составляет 386 млрд. мегаватт. Ежесекундно, даже в течение каждой секундной доли происходит превращение водорода в гелий и энергию (гамма-лучи). Наряду с этим происходит испускание потока низкой плотности, который именуется солнечным ветром и распространяется по всем сопровождающим Солнце планетам на скоростном режиме в 450 километров в секунду. В итоге потоки текут в космос и направляются, в том числе, в сторону Земли.

Таким образом, в статье было рассмотрено, какая температура Солнца в градусах в разных его частях и в основных атмосферных слоях.

Солнце – ближайшая звезда к Земле. Это также и источник жизни на планете. На заре развития цивилизаций у многих народов именно бог Солнца был самым главным, а все другие божества только подчинялись ему. Характерно, что мифы разных народов по своему объясняли происхождение дневной звезды и ее роль. Сегодня же, в ХХI веке, астрономия может рассказать о Солнце куда больше, чем древние мифы. Поэтому в статье мы расскажем что же происходит внутри звезды и, самое главное: что же будет с ней спустя миллионы лет.

Общая характеристика

Характеристики Солнца важны для понимания его места среди других подобных светил. Солнце являет собой огромный газовый шар, нагретый до невообразимо высоких температур. Диаметр Солнца – 1 млн. 392 тыс. 700 км. Эта величина в 109 раз больше земной. Масса Солнца внушительна и составляет около двух нонниллионов килограмм (1,98⋅1030 кг). Это в 332 946 раз больше земной массы. Интересно, что на массу всех планет, спутников, астероидов, комет, межпланетного газа и пыли, находящихся в Солнечной системе, приходится всего лишь 0,13%. Плотность Солнца несколько больше воды и равна 1,4 г/см3.

Мы наблюдаем Солнце как диск желтого цвета, но на самом деле оно так не выглядит. Звезда излучает белый цвет. Однако у поверхности Земли Солнце выглядит как диск желтого оттенка из-за рассеивания в атмосфере и поглощения части излучения.

В Млечном пути находятся сотни миллиардов таких же звезд, подобных Солнцу. Самая близкая к нашей планете звезда – Проксима Центавра находится на расстоянии свыше четырех световых лет (или около 40 трлн. км).

Если изобразить схему Солнечной системы и поместить внутри нее Бетельгейзе, то она будет простираться до орбиты Юпитера.

Расстояние до Солнца от Земли в среднем составляет 150 млн. км — оно равняется одной астрономической единице. Видимый угловой диаметр для наблюдателя с земной поверхности немногим превышает половину градуса. Звезда находится примерно в 26 тыс. световых лет от центра Млечного Пути. Скорость вращения Солнца вокруг центра галактики – 230 километров в секунду.

Источник тепла и света Солнца – термоядерные реакции. После слияния четырех протонов образуется один атом гелия и энергия. В недрах Солнца происходят и другие реакции, в результате которых, например, образуются атомы металлов.

Приблизительно до 150 астрономических единиц в космосе доминирует так называемый солнечный ветер.

Солнце обращается вокруг своей оси. Вращение это неодинаково. В районе экватора звезда делает один оборот за 25 суток, а в районе полюсов – за 34 суток.

Таблица основных физических характеристик Солнца

Значение	Основные характеристики
Диаметр Солнца в километрах	1 миллион 392 тыс.
Протяженность экватора	4,37 млн. км
Масса	приблизительно 2•1027 тонн
Площадь поверхности	6 трлн. кв. км
Объем Солнца	1,41•1018 км³
Температура поверхности	6000 °С
Температура в центре Солнца	15 700 000 °С
Экваториальный период вращения вокруг оси	25 суток
Период вращения вокруг оси на полюсах	34 суток
Наклон оси вращения к эклиптике	7,25°
Наименьшее удаление до Земли (перигелий)	147,098 млн. км
Наибольшее удаление до Земли (афелий)	152,098 млн. км
Вторая космическая скорость	617 км/с
Ускорение свободного падения	274 м/с2
Мощность излучения	3,828•1026 ватт

Состав Солнца

Строение Солнца

Ошибочно мнение, будто дневная звезда состоит только из одного разогретого вещества. Строение Солнца довольно сложное. В нем различают шесть слоев. Причем 3 из них внутренние, а 3 образуют так называемую атмосферу. Узнаем подробнее, из чего состоит Солнце.

Внутренние слои Солнца

Внутреннее строение Солнца долгое время было загадкой для астрономов. Только в ХХ веке ее удалось разгадать. Внутри Солнца находятся следующие слои.

Это центральная часть звезды. Здесь происходят реакции ядерного синтеза. Радиус ядра – примерно 150 тыс. км.

Температура внутри Солнца доходит до невообразимых 15 миллионов градусов Кельвина. Давление же здесь составляет около 300 миллиардов атмосфер (свыше 30 000 трлн. Па). Из-за этого плотность солнечного ядра достигает 150 кг/см3 (что в 6,67 раз больше наиболее тяжелого металла на Земле – осмия).

Указанные параметры идеально подходят для реакций ядерного синтеза. Именно здесь появляется энергия, необходимая для поддержания жизни всего живого на нашей планете. Все другие участки Солнца имеют высокую температуру из-за перехода энергии из ядра. Сами они эту энергию не продуцируют.

Зона лучистого переноса

Ее еще называют зоной радиации. Она находится непосредственно над ядром. Радиус внешней границы лучистого переноса составляет 490 тыс. км. Температура медленно снижается до 2 миллионов градусов. Из-за снижения температуры уменьшается давление, в результате чего плотность солнечного вещества достигает 0,2 г/ см3. Конвекционного перемещения в этой зоне нет.

Энергия в зоне лучистого переноса распространяется путем постоянных поглощений, излучений фотонов протонами. Частицы могут двигаться в любом направлении. Этот процесс довольно медленный: из ядра фотон выходит наружу приблизительно 170 тысяч лет. Иными словами, мы сейчас видим свет, образовавшийся на Солнце, когда на Земле была ледниковая эпоха.

Зона конвективного переноса

Толщина конвективной зоны составляет около 200 тыс. километров. Плотность вещества здесь уже невелика, и оно активно перемещается. То есть разогретое вещество интенсивно поднимается вверх, отдает тепло, охлаждается и идет вниз. Скорость конвекции доходит до 6 километров в час. Эти процессы способствуют образованию солнечного магнитного поля.

На поверхности температура Солнца достигает 6 тысяч градусов, а вот плотность примерно в 1000 раз ниже, чем у земной атмосферы.

Солнечная поверхность неоднородна и имеет области с меньшей яркостью. Они называются пятнами. Продолжительность существования пятен – несколько дней. Интересно, что на Солнце могут быть пятна, которые превышают диаметр Земли. На поверхности Солнца также существуют:

• факулы – объекты с повышенной яркостью;
• гранулы – области, покрывающие фотосферу и различимы с Земли;
• супергранулы – объекты большого размера (порядка 35 тыс. км), обволакивающие поверхность Солнца.

Данные современных исследований показывают, что значение конвективных переносов чрезвычайно высоко. Именно в конвективной зоне происходят всевозможные движения солнечного вещества.

Атмосфера

Когда говорят об атмосфере Солнца, как правило, выделяют следующие 3 слоя: фотосферу, хромосферу и корону.

Фотосфера

Это самый нижний слой солнечной атмосферы. Это та область, которую мы видим с Земли, ведь Солнце излучает свет и тепло, распространяющиеся на все объекты в Солнечной системе. Толщина этого участка атмосферы – до 400 км.

Из фотосферы, или внешней излучающей поверхности Солнца на Землю попадает большинство излучения. Лучи из глубоко расположенных слоев к нам не поступают. Температура фотосферы снижается с 6000 градусов Кельвина до 4400. Эффективная температура рассчитывается по закону Стефана-Больцмана: мощность излучения абсолютно черного тела прямо пропорциональна температуре тела, возведенной в четвертую степень.

Фотосфера являет видимую поверхность нашей дневной звезды. По ней мы можем определить размеры Солнца и прочие параметры.

Хромосфера

Этот слой расположен над фотосферой. Толщина солнечной хромосферы составляет около 2 тыс. км. С Земли ее наблюдать довольно сложно из-за незначительной яркости. Хромосфера доступна земному наблюдателю во время солнечного затмения. В это время она светится красным светом.

В толщи этого слоя наблюдаются спикулы – плазменные столбы, которые выбрасываются из нижних слоев. Длина одного такого столба может достигать 20 тыс. км. По мере возрастания высоты температура хромосферы возрастает и достигает 20 тыс. градусов на верхней границе.

Корона

Это самый верхний слой солнечной атмосферы. Ее границы не определены. Солнечная корона характеризуется наличием крайне разреженного вещества. Температура этой области достигает нескольких миллионов градусов. В отдельных ее участках температура может достигать 20 миллионов градусов.

Солнечная корона видна только при полном затмении. Это объясняется тем, что плотность ее вещества крайне мала, а, следовательно, яркость слоя незначительна. Форма короны изменяется зависимо от фазы цикла. В максимум активности она приближается к кругу, а в минимум – вытягивается. Солнечная корона излучает ультрафиолетовые и рентгеновские лучи.

Магнитное поле

Солнце имеет собственное магнитное поле. Различают глобальное и несколько локальных полей.

Кроме того, в различных участках Солнца наблюдаются локальные магнитные поля разной интенсивности. Их параметры могут быть разными. Редко когда время существования такого магнитного поля превышает 10 дней. Локальные поля чаще всего обнаруживаются возле солнечных пятен.

Жизненный цикл Солнца

Эволюция Солнца – вопрос, интересующий не одно поколение астрономов. Ученые оценивают возраст Солнца в 4,5 миллиарда лет. Оно возникло из газопылевого облака, сжимающегося под воздействием сил гравитации. Из такого же облака возникли и все остальные объекты Солнечной системы, в том числе и наша планета. Из-за сжатия начинает возрастать плотность и температура. Когда температура и давление возросли до необходимых значений, начались термоядерные реакции. Так, собственно, и начался жизненный цикл Солнца.

Масса нашей дневной звезды постепенно снижается из-за реакций ядерного синтеза. Ежесекундно 4 миллиарда тонн вещества Солнца превращается в энергию. Однако запасов водорода для поддержания протекания протон-протонной термоядерной реакции хватит на несколько миллиардов лет.

Температура светила увеличивается на 10 процентов каждые 1,1 млрд. лет. Это дает основания предположить, что раньше температура воздуха на планете была ниже, а на Венере, вероятно, могла бы существовать вода в жидкой фазе (сейчас температура Венеры такова, что на ней может плавиться свинец). Поскольку в будущем светимость Солнца будет возрастать, это приведет к увеличению температуры на Земле. Из-за высокой температуры испарятся океаны, молекулы воды, увлекаемые движением, улетучатся в космическое пространство и разложатся на атомы кислорода и водорода, а сама Земля превратится в безжизненное космическое тело.

Однако рано или поздно выгорит гелий. Это произойдет примерно за 110 миллионов лет. В результате пульсаций внешние слои Солнца постепенно отделятся от ядра. Солнечное ядро превратится в белый карлик, и его диаметр будет примерно соответствовать нынешнему земному. Это при том, что масса ядра будет только вдвое меньше нынешнего Солнца.

Белый карлик будет медленно охлаждаться. В этом объекте не протекают ядерные реакции. Приблизительно через 10 миллиардов лет из Солнца останется черный карлик.

Орбита и место расположения Солнца в галактике Млечный Путь

Солнце, как и вся Солнечная система, обращается вокруг центра Млечного пути. В этом центре расположена большая черная дыра. Солнечная система совершает оборот вокруг этого центра приблизительно за 250 миллионов лет.

Солнце и Солнечная система, а также наша галактика находятся в рукаве Ориона. Скорость вращения галактики равна скорости вращения спиральных рукавов. Из-за этого Солнечная система не попадает под их влияние. Спиральные рукава излучают лучи, уничтожающие все живое на планете.

Солнечный ветер

Так называется поток ионизированных частиц, исходящих от Солнца. Его скорость может достигать 1200 километров в секунду. Потоки солнечного ветра пронизывают все пространство Солнца. Состав частиц в солнечном ветре – протоны, электроны и альфа-частицы.

Существует медленный и быстрый солнечный ветер. Медленный ветер движется со скоростью примерно 400 км/ч и нагрет примерно до полутора миллионов градусов. Его состав примерно отвечает солнечной короне. Быстрый ветер движется с большей скоростью, имеет более низкую температуру, его плотность вдвое выше.

Ежесекундно Солнцем излучается примерно 1,3⋅1036 частиц, уносимых солнечным ветром. Следовательно, за год звезда теряет в массе примерно 2⋅10−14 массы. На Земле регулярно происходят природные явления, которые связаны с распространением солнечного ветра и его возмущениями (например, магнитные бури и северные сияния).

Солнечные циклы и активность

Солнечная активность – это совокупность явлений, связанных с образованием сильных магнитных полей. Их проявление видно в фотосфере как солнечные пятна. Магнитные поля провоцируют вспышки, потоки быстрых частиц, корональные выбросы, возмущения в солнечном ветре, изменения электромагнитного излучение, потоков космических лучей. На Земле эти поля провоцируют магнитные бури и другие явления.

Показателем уровня активности Солнца является число Вольфа. Оно показывает количество пятен на видимой с Земли части звезды. Оно меняется с периодом примерно 11 лет. За последние 300 лет длительность цикла находился в более широких пределах. Им приписывают последовательные номера. В декабре 2019 года начался 11-летний цикл, который продлится предположительно до 2030 года.

Ученые определяют также 22-летний цикл. Фактически, это изменение полярности магнитного поля. Вековой цикл длится примерно 70 – 100 лет. Наконец, радиоуглеродный анализ указывает на наличие 2300-летнего цикла.

Исследование Солнца

Человечество начало интересоваться Солнцем с незапамятных времен. Оно почиталось как божество. Однако уже в античные времена появились первые научные взгляды на звезду. Уже тогда высказывались мнения, что Солнце – центр, вокруг которого вращаются планеты. Такая теория была возрождена Коперником только в 16 веке.

Впервые солнечные пятна стали наблюдать в Китае во времена династии Хань. В 12 веке появились первые рисунки солнечных пятен.

Инструментальное исследование Солнца началось в 1610 г благодаря изобретению телескопа, гелиоскопа. Астроном Кассини вычислил приблизительное расстояние от Земли до Солнца.

В 19 веке был установлен состав Солнца благодаря спектроскопии. В ХХ веке было установлено, что источником энергии Солнца является термоядерная реакция. Впоследствии было установлено, что подобные реакции происходят во всех звездах. В 2020 году были сделаны самые точные снимки нашей дневной звезды.

Как устроено Солнце и когда погаснет. Вспышки, пятна и загадки

Астрономы иногда говорят, что звезда — самый простой объект во Вселенной. Что может быть примитивнее газового шара? Это не чёрные дыры и не загадочная тёмная энергия. Но в действительности ближайшая к нам звезда, Солнце, до сих пор хранит немало тайн. Светило существует одновременно и по законам космогонии, и по законам микромира. И те, и другие в наше время хорошо изучены, но это не мешает им конфликтовать между собой. С нашим светилом вообще связано немало загадок. И оно способно преподнести неприятные сюрпризы.

С чего начиналось?

Началось всё 4,6 миллиарда лет назад в «звёздной колыбели» — облаке газа размером 300 на 50 световых лет. Некогда этот газ входил в состав массивных звёзд, взорвавшихся как сверхновые. Потом газ остыл и гравитация преодолела внутреннее давление тучи, в результате чего газопылевая туманность начала распадаться на отдельные фрагменты, каждый из которых, закручиваясь, сжимался к собственному центру. Одному из этих клочьев предстояло стать Солнцем.

Молодые звёзды не имеют твёрдого ядра. На раннем этапе эволюции плотность светила ещё невелика и конвективная зона занимает весь объём

Сжимаясь, газ нагревается, но, поскольку часть энергии уносится излучением, дальнейшему уплотнению это не препятствует. Представляя собой приплюснутую сферу размером с орбиту Марса, протосолнце уже ярко светило. Правда, лишь в тепловом диапазоне. Сияние раскалённых внутренних областей ещё не пробивалось через тучи пыли. Чуть позже в центре диска вспух тусклый багровый шар. В недрах рождающейся звезды температура достигла миллиона кельвинов, и начались термоядерные реакции. Но только начались. Поначалу их интенсивность была невелика, и остановить сжатие они не могли.

Молодое Солнце было огромно — до современной орбиты Меркурия. Основным источником энергии оставалось гравитационное сжатие. Быстро «сдуваясь» и твердея, взрослеющее светило выбрасывало мощные потоки солнечного ветра, разгоняющего к границам системы невостребованные остатки газа.

Пекло

Описание звезды как шара, состоящего из сжатого, раскалённого, ионизированного газа, даёт ошибочное представление о внутренней структуре Солнца. Ничего подобного тому, что мы обычно понимаем под «газом», в недрах светила нет. Сердцевина звезды представляет собой твёрдое — даже сверхтвёрдое! — вещество, аналогов которому в мире планет не найти.

В «холодной» твёрдой материи молекулы сцеплены электронными оболочками. Солнечное же вещество — масса ядер водорода и гелия, распираемая изнутри кулоновской силой (отталкиванием одноимённых зарядов) и скреплённая лишь наружным давлением. Скреплённая так надёжно, что плотность вещества достигает 150 тонн на кубический метр. В результате частицы, набитые в тысячу раз плотнее, чем это дозволяется классической физикой, даже при температуре 14 миллионов градусов куда менее подвижны, чем молекулы в составе кристалла.

Обладая диаметром примерно в 1 миллион 400 тысяч километров, Солнце состоит преимущественно из водорода (73% массы и 92% объёма) и гелия. На все прочие элементы приходится только 1,5% массы. Солнце вращается вокруг центра Галактики с периодом 200 миллионов лет

Если бы звёздная материя могла существовать при нормальных давлении и температуре, мы наблюдали бы слиток необычного материала, похожего на те, из которых в фантастике изготовлены инопланетные артефакты. Очень тяжёлого — всемеро тяжелее такого же объёма золота — и непроницаемо чёрного, поглощающего даже излучения, для которых не станет преградой аналогичная толща свинца. На Земле не нашлось бы ни инструмента, способного его оцарапать, ни машин, которые смогли бы его деформировать.

Твёрдый водород, химически оставаясь неметаллом, приобретает многие свойства металла. В частности, отлично проводит электрический ток (ведь электроны не связаны с протонами). Но электропроводность — единственная слабость «чёрного водорода». Материал солнечных недр фактически не проводит тепло! Силы электростатического отталкивания прочно удерживают на своих местах частицы, не позволяя им обмениваться кинетической энергией «традиционным способом».

Единственный способ передачи энергии в «чёрном водороде» — эстафета фотонов. Квант, излучённый одним ядром, немедленно поглощается соседним, а затем переизлучается. Бесконечными «рикошетами» фотон пробивается к внешним слоям звезды со скоростью всего два километра в год. Лишь одна форма движения возможна в «чёрном водороде». Не выдерживая сжатия, материя звезды постепенно проседает, «складываясь в себя». Четыре ядра водорода сливаются в занимающее значительно меньший объём ядро гелия. Это и есть реакция термоядерного синтеза.

Структура Солнца (Kelvinsong / Wikimedia Commons)

Твёрдая сердцевина занимает половину объёма Солнца и условно делится на две не имеющие чёткого разграничения зоны: ядро, имеющее радиус 20-25% солнечного (только в этой зоне давление достаточно для протекания термоядерных реакций), и зону лучистого переноса. Через последнюю родившиеся в ядре фотоны медленно и мучительно протискиваются к границе конвективной зоны — аналогу мантии планет.

Материя солнечной мантии представляет собой столь же экзотическую субстанцию, как и «чёрный водород» недр. Её можно назвать «жидким пламенем» — причём термин окажется удивительно точным. Ведь пламя — струи раскалённого, ионизированного газа. В недрах Солнца он просто сжат до состояния жидкости — в глубинах плотной и вязкой, как ртуть, выше же подобной расплавленному камню.

В конвективной зоне энергия переносится за счёт перемешивания породы. Нагретый жаром ядра «жидкий огонь» течёт вверх, навстречу ему опускаются охлаждённые массы. Это движение упорядочено по колоннам конвекции — шестигранным призмам шириной 20 тысяч и высотой 200 тысяч километров. Каждая из больших колонн — «супергранул» — разделяется на меньшие столбы по 5 тысяч километров в ширину. А внутри них, в свою очередь, различимы «гранулы» с поперечником от 500 до 1200 километров. По оси гранул водород поднимается, а по граням стекает вниз.

У поверхности конвективная зона переходит в фотосферу — трёхсоткилометровую толщу уже вполне обычного по своим физическим свойствам жидкого водорода. Это — зона охлаждения солнечной материи. Выделившаяся в твёрдом ядре энергия уносится излучением. Обычно указывается, что температура фотосферы Солнца — 5800 К. В действительности же поверхность Солнца нагрета лишь до 4000 градусов, но сквозь верхние слои водорода пробивается свет от глубинных, куда более раскалённых.

На Солнце не может быть «извержений», так как там нет твёрдой коры, сопротивляющейся перемещению расплавленного вещества и накапливающей разрушительную энергию. За катастрофические вспышки ответственны электромагнитные силы

Если земной океан подёрнут лишь лёгкой рябью волн, с высоты незаметных, то солнечная фотосфера кипит. Хлещущий из гранул со скоростью один-два километра в секунду водород вздымается буграми высотой в десятки километров. Над морем жидкого пламени ползут сияющие облака-флоккулы и танцуют спикулы — огненные смерчи шириной 500 и высотой 10 000 километров.

О солнечной атмосфере — хромосфере — достаточно сказать, что её плотность позволяет водороду оставаться жидким даже при температуре 4000 К. Но если в отдалённом будущем эту зону удастся увидеть изнутри объективами жаропрочной автоматической станции, то отнюдь не циклопические столбы спикул более всего поразят наблюдателя. Даже буйство пламени померкнет перед разрушительной силой звука, сотрясающего хромосферу. Над бурлящей поверхностью звезды стоит гул громовых раскатов и царит хаос ударных волн.

Вероятно, именно звук (точного ответа пока не существует) разогревает до миллиона градусов солнечную корону — окружающее светило облако плазмы. Вытягивающиеся на миллион и более километров протуберанцы, наблюдаемые в этой области, иногда ошибочно считаются «султанами взрывов». На самом деле это лишь плотные сгустки водорода, захваченные магнитным полем.

Космическая погода

В старину монархов нередко сравнивали с Солнцем. Ведь власть Солнца над нами беспредельна. Оно практически монопольно поставляет энергию. Тепло, необходимое для сохранения воды в жидкой форме, а значит, и для поддержания жизни; свет, без которого невозможен фотосинтез; кислород, пища, нефть, уголь, газ, появившиеся благодаря фотосинтезу, — всё это даруется нам светилом… Это прекрасно, но порождает некоторое беспокойство. Своей властью Солнце может распорядиться и нам во вред.

В фильме Денни Бойла «Пекло» (2007) Солнце начинает гаснуть. Чтобы предотвратить новый ледниковый период, на Солнце взрывают огромную бомбу. Но глобальная катастрофа, вызванная солнечной вспышкой и последующей магнитной бурей, как в телефильме «Взорванное Солнце» (2013), — наиболее реалистичный сценарий. Обладая вращающимся ядром из проводящего ток материала, наша звезда, разумеется, имеет и магнитное поле, меняющее полярность раз в 22 года. Но помимо общего солнечного магнитного поля, кольцевые токи в глубине конвективной зоны порождают ещё и в тысячу раз более мощные блуждающие поля. Именно они ответственны за появление солнечных пятен, многочисленных в периоды высокой активности и практически не наблюдающихся между ними.

Чтобы обосновать довольно нереалистичный сюжет, создателям фильма «Пекло» пришлось выдумать новый вид частиц

«Пятна» — группы фотосферных гранул с пониженной до 4300 К температурой. Магнитные поля парализуют доставку нагретого вещества по конвективным колоннам к поверхности фотосферы. С пятнающими лик Солнца кольцами магнитных силовых линий связаны и солнечные вспышки. Если два противонаправленных поля замыкаются накоротко, выделяется энергия, эквивалентная взрыву 100 000 термоядерных бомб.

Сам по себе термоядерный взрыв для нас безвреден, ведь Солнце находится достаточно далеко. Но хромосферную молнию, масштабы которой лежат за пределами человеческого воображения, сопровождает громовой раскат соответствующей силы. Ударная волна срывает часть солнечной короны и выстреливает облаком плазмы в случайном направлении. Обычно в безопасном — вспышки чаще происходят возле полюсов. Но иногда потоки заряженных частиц обрушиваются на Землю.

Сначала удар принимает магнитосфера планеты. Клочья солнечной плазмы закручиваются в радиационных поясах. И возникающий электрический ток порождает колебания магнитных полей уже вблизи Земли. Это явление называют «магнитной бурей», хотя в большинстве случаев это чуть заметный ветерок, едва регистрируемый приборами. Но несколько раз за столетие Солнце пробивает защиту. Особенно тяжело пришлось в 1859 году, когда даже в тропиках полярные сияния превращали ночь в день, а по телеграфным линиям вместо отстукиваемых ключом депеш передавалась зловещая бессмыслица. В протяжённых электрических сетях магнитная буря может индуцировать токи силой в сотни ампер, нарушая работу систем энергоснабжения, сжигая оборудование, а иногда и вызывая аварии на газопроводах. Почему на газопроводах? Металлическая труба длиной в сотни километров — отличный проводник.

Вблизи полюсов, не прикрытых геомагнитным полем планеты, заряды солнечного ветра достигают верхних слоёв земной атмосферы, вызывая ионизацию газа. Благодаря чему мы любуемся полярным сиянием

Повторение события полуторавековой давности и даже вдесятеро более мощная атака, конечно, не ввергнет цивилизацию в хаос, но материальный урон будет огромен, а человеческие жертвы могут исчисляться десятками тысяч: упавшие самолёты, техногенные катастрофы, вызванные выходом из строя оборудования, отказавшая медицинская аппаратура. Именно катастрофическая солнечная вспышка стала первой причиной упадка цивилизации в цикле «Бегущий в лабиринте» Джеймса Дэшнера. Впрочем, люди постарались, чтобы ухудшить ситуацию на Земле…

Сминая первую линию защиты Земли, потоки солнечных частиц могут достигать ионосферы. У нашей планеты тоже есть своя «плазменная корона» — разреженная оболочка из ионизированного газа, простирающаяся до высоты 400 километров. Фактически это глубокий вакуум, уже почти не препятствующий движению космических аппаратов. Но после того, как солнечный ветер ударяет по верхним слоям земной атмосферы, раскаляя их, этот вакуум становится куда менее глубоким. Так в 1979 году солнечная вспышка «сбила» американскую орбитальную станцию «Скайлэб». Кроме того, ионосфера может быть «зеркалом», отражающим обратно к Земле радиоволны, вследствие чего магнитные бури способны нарушать связь.

Механизм воздействия магнитных бурь на самочувствие человека пока не до конца понятен. Геоиндукционные поля очень слабы, однако некоторые люди способны ощущать тончайшие изменения магнитного поля. Как и чем? Загадка. Возможно, физический дискомфорт, связанный с магнитными бурями, имеет психосоматическую природу.

Солнечный парус позволяет ускорять корабль давлением солнечного света. Возможен также электрический парус, использующий силу солнечного ветра — потока испускаемых светилом заряженных частиц

Солнечные циклы

В телефильме «Сверхновая» (2005) Земле угрожает гибель в результате взрыва светила. Но такого развития событий не стоит опасаться — масса Солнца для этого недостаточна. Тем не менее многие встречающиеся в фантастике сценарии катастрофы наука не может отвергнуть с такой же уверенностью, ведь наши знания о Солнце всё ещё очень ограничены. Что именно там происходит, мы уже знаем. Но почему это происходит именно таким образом, в данный момент и с наблюдаемой интенсивностью — увы, нет.

Равновесие, в котором пребывают недра Солнца, устойчиво, но не статично. Звезда «дышит», циклически меняя свою активность. Гравитация приводит к сжатию — крошечному, но наблюдаемому. Сжатие повышает интенсивность термоядерных реакций, которые, в свою очередь, приводят к нагреву и расширению. В результате светимость колеблется в пределах 0,1%. Но почему-то неравномерно. Кратчайший, 11-летний цикл, несмотря на название, длится от 9 до 14 лет. И это очень странно. Более странно, чем если бы продолжительность года на Земле непредсказуемо менялась от 9 до 14 месяцев. Ведь Солнце, в отличие от Земли, внешним воздействиям не подвержено.

В периоды минимальной активности Солнце краснеет. Спектр сдвигается в длинноволновую область

Помимо 11-летних циклов, светимость Солнца колеблется с периодами 70-100, 200-300 и 2000 лет — тоже нерегулярными. И возникает вопрос, какие процессы в столь гигантской системе (тепло от ядра к фотосфере проходит за 200 тысяч лет) вообще могут протекать с высокой и непостоянной скоростью? Очевидно, это могут быть лишь электромагнитные процессы. Это наверняка как-то связано с циклами активности. Знать бы ещё, как именно.

Время от времени наше светило берёт отпуск — светимость снижается на 0,2-0,6%. Что происходит в таком случае, нам вскоре предстоит узнать. С учётом непредсказуемости нашего светила подобного развития событий можно ожидать в любой момент. Прошлый длительный период низкой активности, получивший название «минимум Маундера» или «малый ледниковый период», продолжался с 1645 по 1715 год. Реки в средней полосе России тогда сковывались льдом на полгода.

Изменения климата, как и колебания солнечной активности, за последние тысячи лет хорошо изучены. И связь между похолоданиями и периодами «спокойного Солнца» достаточно очевидна. Казалось бы, всё просто, но… механизм этой зависимости остаётся загадкой. Само по себе изменение светимости на доли процента значимых последствий иметь не может. Среди выдвигаемых гипотез есть даже такая, согласно которой Землю на самом деле замораживают излучения галактического ядра. Если долго нет вспышек и плазменных атак, радиационные пояса Земли слабеют и космические частицы достигают атмосферы, вызывая конденсацию пара и образование отражающих свет облаков.

Когда погаснет Солнце?

По мере превращение водорода в гелий ядро звезды уплотняется. Это приводит к росту давления и ускоряет термоядерные реакции. С возрастом, расходуя горючее, звезда не тускнеет, а разгорается всё сильнее. В случае Солнца это означает увеличение светимости на 10% за миллиард лет. И даже дополнительные 10% будут для Земли лишними — выживут только термофильные организмы в закипающих у поверхности океанах. А ещё через 2,5 миллиарда лет, полностью потеряв воду, наша планета превратится в подобие Венеры.

Зато от увеличения светимости Солнца в выигрыше окажется Марс. Через миллиард лет на Марсе растают ледники, потекут реки и появится плотная атмосфера. Это будет засушливый, но вполне пригодный для жизни мир. Последними эстафету примут спутники Сатурна — когда лучи умирающего Солнца на короткое время растопят льды.

Благоприятные условия на Марсе будут сохраняться 6 миллиардов лет. Столько же, сколько и на Земле

Через 7 миллиардов лет в сжимающемся ядре Солнца закончится водород. Но температура в недрах светила к этому времени уже будет так велика, что реакция синтеза станет возможной в конвективной зоне. Ненадолго. «Жидкий огонь» способен расширяться при нагреве. Выделение энергии в «мантии» звезды приведёт к тому, что её размеры увеличатся в сотни раз, давление упадёт и синтез прекратится. Солнце превратится в красный гигант светимостью в 3-5 тысяч раз выше современной. Затем в ядре вспыхнет гелий, и резко возросший поток излучения вытолкнет раздувшуюся газовую оболочку за пределы гравитационной ямы.

Меркурий и Венера будут поглощены фотосферой Солнца. Уран и Нептун покинут теряющее гравитационную хватку светило. Но Земля, перейдя на орбиту с вдвое большим радиусом, вероятно, уцелеет. Агония звезды продлится ещё 100 миллионов лет — после чего догорит и гелий. Звезда превратится в белый карлик — крошечный шар из углерода и кислорода, заливающий руины солнечной системы яростными потоками рентгеновского излучения.

Дальнейший синтез станет невозможным. Ведь чем тяжелее элемент, тем больше электрический заряд ядер и выше силы кулоновского отталкивания. Превращение белого карлика в чёрный — холодный, не излучающий, — займёт ещё четыре миллиарда лет.

Хотя при синтезе кислорода из гелия выделяется на порядок меньше энергии, чем при синтезе гелия из водорода, красный гигант будет распирать термоядерный жар. Гелий выгорает в 100 раз интенсивнее водорода

Прогнозировать события на Солнце пока можно только на основе опыта наблюдений. Но именно этот опыт свидетельствует, что за весь период существования человечества светило ещё ни разу нас не уничтожило.

Путешествие из центра Солнца

Согласно общепринятым оценкам, Солнце возникло 4,59 млрд лет назад. Правда, в последнее время некоторые астрономы заговорили о том, что его возраст составляет 6–7 млрд лет, но это пока лишь гипотезы. Разумеется, наше дневное светило родилось не на пустом месте. Его матерью было исполинское газопылевое облако, состоящее в основном из молекулярного водорода, которое под действием собственного тяготения медленно сжималось и деформировалось, пока не превратилось в плоский диск. Не исключено, что имел место и отец в лице космического события, которое увеличило гравитационную нестабильность облака и подхлестнуло его коллапс (таковым могла оказаться встреча с массивной звездой или же взрыв сверхновой). В центре диска возникла сфера из светящейся плазмы с температурой поверхности в несколько тысяч градусов, переводившая в тепло часть своей гравитационной энергии.

Новорожденное светило продолжало сжиматься, всё больше разогревая свои недра. Через несколько миллионов лет их температура достигла 10 млн градусов Цельсия, и там начались самоподдерживающиеся реакции термоядерного синтеза. Юная протозвезда превратилась в нормальную звезду главной последовательности. Вещество ближней и дальней периферии диска сгустилось в холодные тела — планеты и планетоиды.

Вот кое-какие паспортные данные Солнца. Возраст — 4,59 млрд лет; масса — 1,989×10 30 кг; средний радиус — 696 000 км; средняя плотность — 1,409 г/см 3 (плотность земной материи в четыре раза выше); эффективная температура поверхности (вычисленная в предположении, что Солнце излучает как абсолютно черное тело) — 5503°C (в пересчете на абсолютную температуру — 5778 кельвинов); суммарная мощность излучения — 3,83×10 23 кВт.

Поскольку Солнце вращается вокруг собственной оси не как единое целое, строго определенных суток оно не имеет. Поверхность его экваториальной зоны делает полный оборот за 27 земных суток, а приполярных зон — за 35 суток. Осевое вращение солнечных внутренностей еще сложнее и во всех деталях пока неизвестно.

В химическом составе солнечного вещества, естественно, доминируют водород (примерно 72% массы) и гелий (26%). Чуть меньше процента составляет кислород, 0,4% — углерод, около 0,1% — неон. Если выразить эти соотношения в количестве атомов, то получается, что на миллион атомов водорода приходится 98 000 атомов гелия, 850 атомов кислорода, 360 — углерода, 120 — неона, 110 — азота и по 40 атомов железа и кремния.

Солнечная механика

Слоистую структуру Солнца нередко сравнивают с луковицей. Эта аналогия не слишком удачна, поскольку сами слои пронизаны мощными вертикальными потоками вещества и энергии. Но в первом приближении она приемлема. Солнце светит за счет термоядерной энергии, которая генерируется в его ядре. Температура там достигает 15 млн градусов Цельсия, плотность — 160 г/см 3 , давление — 3,4×10 11 атм. В этих адских условиях осуществляется несколько цепочек термоядерных реакций, составляющих протон-протонный цикл (p-p-цикл). Этим именем он обязан начальной реакции, где два протона, столкнувшись, порождают ядро дейтерия, позитрон и электронное нейтрино.

День грядущий

От процессов в солнечных недрах непосредственно зависит грядущая судьба нашего светила. По мере уменьшения запасов водорода ядро постепенно сжимается и разогревается, что увеличивает светимость Солнца. С момента превращения в звезду главной последовательности она уже выросла на 25–30% — и процесс будет продолжаться. Примерно через 5 млрд лет температура ядра достигнет сотни миллионов градусов, и тогда в его центре загорится гелий (с образованием углерода и кислорода). На периферии в это время будет дожигаться водород, причем зона его сгорания несколько сдвинется по направлению к поверхности. Солнце потеряет гидростатическую устойчивость, его внешние слои сильно раздуются, и оно превратится в исполинское, но не очень яркое светило – красный гигант. Светимость этого исполина на два порядка превысит нынешнюю светимость Солнца, но его жизненный срок будет короче. В центре его ядра быстро накопится большое количество углерода и кислорода, которые вспыхнуть уже не смогут — не хватит температуры. Внешний гелиевый слой будет продолжать гореть, постепенно расширяясь и в силу этого охлаждаясь. Скорость термоядерного сгорания гелия чрезвычайно быстро растет с повышением температуры и падает с ее снижением. Поэтому внутренности красного гиганта начнут сильно пульсировать, и в конце концов дело может дойти до того, что его атмосфера окажется выброшенной в окружающий космос со скоростью в десятки километров в секунду. Сначала разлетающаяся звездная оболочка под действием ионизирующего ультрафиолетового излучения нижележащих звездных слоев ярко засияет голубым и зеленым светом — на этой стадии она называется планетарной туманностью. Но уже через тысячи или десятки тысяч лет туманность остынет, потемнеет и рассеется в пространстве. В ядре превращение элементов прекратится вовсе, и оно будет светить лишь за счет накопленной тепловой энергии, все больше остывая и угасая. Такие холодеющие остатки почивших в бозе звезд солнечного типа называют белыми карликами.

В ходе этих превращений (а их довольно много) сгорает водород и рождаются различные изотопы таких элементов Периодической системы, как гелий, бериллий, литий и бор. Три последних элемента вступают в ядерные реакции либо распадаются, а гелий остается — вернее, остается его основной изотоп гелий-4. В результате оказывается, что четыре протона дают начало одному ядру гелия, двум позитронам и двум нейтрино. Позитроны немедленно аннигилируют с электронами, а нейтрино покидают Солнце, практически не реагируя с его веществом. Каждая реакция p-p-цикла высвобождает 26,73 мегаэлектронвольта в форме кинетической энергии рожденных частиц и гамма-излучения.

Если бы протосолнечное облако состояло исключительно из элементов, возникших в ходе Большого взрыва (водорода и гелия-4 с очень малой примесью дейтерия, гелия-3 и лития-7), то этими реакциями все бы и закончилось. Однако композиция протосолнечного вещества была намного богаче, неоспоримым доказательством чему служит хотя бы наличие железа в солнечной атмосфере. Этот элемент, как и его ближайшие соседи в менделеевской таблице, рождается только в недрах гораздо более массивных светил, где температуры достигают миллиардов градусов. Солнце к ним не относится. Если железо там все-таки имеется, то лишь потому, что первичное облако уже было загрязнено и этим металлом, и еще многими другими элементами. Все они образовались в ядерных топках гигантских звезд прежних поколений, взорвавшихся сверхновыми и разбросавших продукты своей творческой деятельности по всему космическому пространству.

Это обстоятельство не сильно меняет вышеприведенную схему внутрисолнечного термоядерного синтеза, но все-таки привносит в нее кое-какие поправки. Дело в том, что при 15 млн градусов водород может превратиться в гелий и в углеродно-азотно-кислородном цикле (CNO-цикл). В его начале протон сталкивается с ядром углерода-12 и порождает ядро азота-13 и квант гамма-излучения. Азот распадается на ядро углерода-13, позитрон и нейтрино. Ядро тяжелого углерода опять-таки сталкивается с протоном, из чего происходят азот-14 плюс гамма-квант. Азот заглатывает третий протон с выделением гамма-кванта и кислорода-15, который трансформируется в азот-15, позитрон и нейтрино. Ядро азота захватывает последний, четвертый протон и раскалывается на ядра углерода-12 и гелия-4. Суммарный баланс такой же, как и в первом цикле: четыре протона в начале, альфа-частица (она же ядро гелия-4), пара позитронов и пара нейтрино в конце. Плюс, естественно, такой же выход энергии, без малого 27 МэВ. Что до углерода-12, то он в этом цикле вообще не расходуется, исчезает в первой реакции и снова появляется в последней. Это не топливо, а катализатор.

Реакции CNO-цикла внутри Солнца идут довольно вяло и обеспечивают лишь полтора процента общего выхода энергии. Однако забывать их не стоит хотя бы потому, что иначе расчетная мощность потока солнечных нейтрино будет заниженной. Загадки нейтринного излучения Солнца очень интересны, но это вполне самостоятельная тема, которая не укладывается в рамки данной статьи.

Ядро совсем молодого Солнца на 72% состояло из водорода. Модельные расчеты показали, что сейчас на его долю приходится лишь 35% массы центральной зоны ядра и 65% — периферийной. Ничего не поделаешь, выгорает даже ядерное топливо. Впрочем, его хватит еще миллиардов на пять лет. Процессы в термоядерной топке Солнца иногда сравнивают со взрывом водородной бомбы, но сходство здесь весьма условно. Десятки килограммов начинки мощных ядерных бомб имеют мощность в мегатонны и десятки мегатонн тротилового эквивалента. А вот солнечное ядро при всей его гигантской массе вырабатывает всего около ста миллиардов мегатонн в секунду. Нетрудно сосчитать, что средняя мощность энерговыделения составляет шесть микроватт на килограмм — человеческое тело производит тепло в 200 000 раз активней. Солнечный термояд не «взрывается», а медленно-медленно «тлеет» — к великому нашему счастью.

Лучистый перенос

Внешняя граница ядра находится приблизительно в 150 000 км от центра Солнца (0,2 радиуса). В этой зоне температура снижается до 9 млн градусов. При последующем охлаждении реакции протон-протонного цикла прекращаются — у протонов недостает кинетической энергии для преодоления электростатического отталкивания и слияния в ядро дейтерия. Реакции CNO-цикла там тоже не идут, поскольку их температурный порог даже выше. Поэтому на границе ядра солнечный термояд сходит на нет.

Ядро окружено мощным сферическим слоем, который заканчивается на вертикальной отметке в 0,7 солнечного радиуса. Это лучистая зона (англ. radiative zone). Она заполнена водородно-гелиевой плазмой, плотность которой по мере движения от внутренней границы зоны к внешней сокращается в сотню раз, от 20 до 0,2 г/см 3 . Хотя внешние плазменные слои холоднее внутренних, температурный градиент там не настолько велик, чтобы возникли вертикальные потоки вещества, уносящие тепло от нижних слоев к верхним (такой механизм теплопереноса называется конвекцией). В надъядерном слое никакой конвекции нет и быть не может. Выделяемая в ядре энергия проходит сквозь него в виде квантов электромагнитного излучения.

Как это происходит? Рожденные в центре ядра гамма-кванты рассеиваются в его веществе, постепенно теряя энергию. До границы ядра они добираются в виде мягкого рентгена (длина волны порядка одного нанометра и энергия 400–1300 эВ). Тамошняя плазма для них почти непрозрачна, фотоны могут преодолеть в ней расстояние всего лишь в доли сантиметра. При столкновении с ионами водорода и гелия кванты отдают им свою энергию, которая частично уходит на поддержание кинетической энергии частиц на прежнем уровне, а частично переизлучается в виде новых квантов большей длины. Так что фотоны постепенно диффундируют через плазму, погибая и рождаясь вновь. Блуждающие кванты легче уходят вверх (где вещество менее плотно), нежели вниз, и поэтому лучистая энергия перетекает из глубин зоны к ее внешней границе.

Поскольку в зоне лучистого переноса вещество неподвижно, она вращается вокруг солнечной оси как единое целое. Но лишь до поры до времени. Во время перемещения к поверхности Солнца фотоны проходят все более длинные дистанции между столкновениями с ионами. Это означает, что разница в кинетической энергии излучающих и поглощающих частиц все время возрастает, ведь солнечная материя на бОльших глубинах горячее, чем на меньших. В результате плазма дестабилизируется и в ней возникают условия для физического перемещения вещества. Зона лучистого переноса переходит в конвективную зону.

Зона конвекции

Она начинается на глубине в 0,3 радиуса и простирается вплоть до поверхности Солнца (вернее, его атмосферы). Ее подошва нагрета до 2 млн градусов, в то время как температура внешней границы не достигает и 6000°C. От лучевой зоны ее отделяет тонкий промежуточный слой — тахоклин. В нем происходят интереснейшие, но пока не слишком изученные вещи. Во всяком случае есть основания считать, что движущиеся в тахоклине потоки плазмы вносят основной вклад в формирование солнечного магнитного поля. Нетрудно вычислить, что зона конвекции занимает около двух третей объема Солнца. Однако масса ее очень невелика — всего два процента солнечной. Это и естественно, ведь солнечное вещество по мере удаления от центра неотвратимо разрежается. У нижней границы зоны плотность плазмы равна 0,2 плотности воды, а при выходе в атмосферу она уменьшается до 0,0001 плотности земного воздуха над уровнем моря.

Вещество в конвективной зоне перемещается весьма запутанным образом. От ее подошвы восходят мощные, но медленные потоки горячей плазмы (поперечником в сотню тысяч километров), скорость которых не превышает нескольких сантиметров в секунду. Навстречу им опускаются не столь могучие струи менее нагретой плазмы, скорость которых измеряется уже метрами в секунду. На глубине в несколько тысяч километров восходящая высокотемпературная плазма разделяется на гигантские ячейки. Наиболее крупные из них имеют линейные размеры порядка 30–35 тысяч километров — их называют супергранулами. Ближе к поверхности образуются мезогранулы с характерным размером в 5000 км, а еще ближе — в 3–4 раза меньшие гранулы. Супергранулы живут около суток, гранулы — обычно не более четверти часа. Когда эти продукты коллективного движения плазмы добираются до солнечной поверхности, их легко увидеть в телескоп со специальным фильтром.

Атмосфера

Она устроена довольно сложно. Весь солнечный свет уходит в космос с ее нижнего уровня, который называют фотосферой. Основным источником света служит нижний слой фотосферы толщиной в 150 км. Толщина всей фотосферы составляет около 500 км. Вдоль этой вертикали температура плазмы снижается от 6400 до 4400 К.

В фотосфере постоянно возникают области пониженной (до 3700 К) температуры, которые светятся слабее и обнаруживаются в виде темных пятен. Количество солнечных пятен изменяется с периодом в 11 лет, но они никогда не покрывают больше 0,5% площади солнечного диска.

Над фотосферой расположен хромосферный слой, а еще выше — солнечная корона. О существовании короны известно с незапамятных времен, поскольку она превосходно видна во время полных солнечных затмений. Хромосферу же открыли сравнительно недавно, лишь в середине XIX века. 18 июля 1851 года сотни астрономов, собравшихся в Скандинавии и окрестных странах, наблюдали, как Луна закрывает солнечный диск. За несколько секунд до появления короны и перед самым концом полной фазы затмения ученые заметили у края диска светящийся красный полумесяц. Во время затмения 1860 года удалось не только лучше рассмотреть такие вспышки, но и получить их спектрограммы. Спустя девять лет английский астроном Норман Локьер назвал эту зону хромосферой.

Плотность хромосферы крайне мала даже по сравнению с фотосферой, всего 10–100 млрд частиц на 1 см 3 . Зато нагрета она сильнее — до 20 000°C. В хромосфере постоянно наблюдаются темные вытянутые структуры — хромосферные волокна (их разновидность — всем известные протуберанцы). Они представляют собой сгустки более плотной и холодной плазмы, поднятой из фотосферы петлями магнитного поля. Видны и участки повышенной яркости — флоккулы. И наконец, в хромосфере постоянно появляются и через несколько минут исчезают продолговатые плазменные структуры — спикулы. Это своего рода путепроводы, по которым материя перетекает из фотосферы в корону.

Корона — самая горячая часть атмосферы, ее температура достигает нескольких миллионов градусов. Этот нагрев можно объяснить с помощью нескольких моделей, базирующихся на принципах магнитной гидродинамики. К сожалению, все эти процессы очень сложны и изучены весьма слабо. Корона также насыщена разнообразными структурами — дырами, петлями, стримерами.

Солнечные проблемы

Несмотря на то что Солнце — это самый крупный и самый заметный объект земного неба, нерешенных проблем в физике нашего светила хватает. «Мы знаем, что магнетизм Солнца чрезвычайно сильно влияет на динамику его атмосферы — к примеру, порождает солнечные пятна. Но как он возникает и как распространяется в плазме, еще не выяснено, — отвечает на вопрос «ПМ» директор американской Национальной солнечной обсерватории Стивен Кейл. — На второе место я бы поставил расшифровку механизма возникновения солнечных вспышек. Это кратковременные, но крайне мощные выбросы быстрых электронов и протонов, сочетающиеся с генерацией столь же мощных потоков электромагнитного излучения самых разных длин волн. О вспышках собрана обширная информация, однако разумных моделей их возникновения пока нет. Наконец, надо бы понять, какими способами фотосфера подпитывает энергией корону и разогревает ее до температур, которые на три порядка превышают ее собственную температуру. А для этого прежде всего необходимо как следует определить параметры магнитных полей внутри короны, поскольку эти величины известны далеко не в полной мере».

Солнечные пятна

Трехмерная модель солнечного пятна, построенная на основе данных космической обсерватории SOHO. Верхняя плоскость — это поверхность Солнца, нижняя плоскость проходит на глубине 22 000 км. Вертикальная плоскость сечения продолжена до 24 000 км. Цветами обозначены области с различной скоростью звука (по мере убывания — от красной к синей и черной). Изображение: «Популярная механика»

Пятна — это места выхода в солнечную атмосферу сильных (в тысячи раз превышающих земное) магнитных полей. Это участки с пониженной (примерно до 3700 К) температурой на поверхности Солнца, поэтому на фоне горячей (5700 К) фотосферы пятна видны как темные области. Время их жизни — от нескольких дней до недель. Пятна чаще всего возникают «парными группами», магнитные поля одной группы имеет северную полярность, другой — южную. В самой темной части пятна — тени — поле максимально и направлено почти вертикально, вокруг — в полутени — поле менее сильное, линии его более «пологие». Часто пятна окружены более горячими активными областями — факелами. Количество пятен на Солнце изменяется с периодом в 11 лет; чем их больше, тем больше активность Солнца: именно пятна являются областями мощных солнечных вспышек.

«Исследованию солнечного магнетизма помогут два телескопа с полутораметровой апертурой, которые сооружают сейчас в Калифорнии и на Канарах, — продолжает Кейл. — Мы надеемся также, что в будущем году начнется строительство еще более совершенного четырехметрового телескопа для солнечных исследований. Мы с нетерпением ожидаем и запуска Solar Dynamics Observatory — тяжелого спутника, оснащенного приборами для всестороннего изучения солнечной атмосферы. Этот старт планируют на конец нынешнего или начало будущего года».

Солнце: его температура, масса, размер, строение, состав, атмосфера, жизненный цикл, солнечная активность

Солнце – ближайшая звезда к Земле. Это также и источник жизни на планете. На заре развития цивилизаций у многих народов именно бог Солнца был самым главным, а все другие божества только подчинялись ему. Характерно, что мифы разных народов по своему объясняли происхождение дневной звезды и ее роль. Сегодня же, в ХХI веке, астрономия может рассказать о Солнце куда больше, чем древние мифы. Поэтому в статье мы расскажем что же происходит внутри звезды и, самое главное: что же будет с ней спустя миллионы лет.

Общая характеристика

Характеристики Солнца важны для понимания его места среди других подобных светил. Солнце являет собой огромный газовый шар, нагретый до невообразимо высоких температур. Диаметр Солнца – 1 млн. 392 тыс. 700 км. Эта величина в 109 раз больше земной. Масса Солнца внушительна и составляет около двух нонниллионов килограмм (1,98⋅1030 кг). Это в 332 946 раз больше земной массы. Интересно, что на массу всех планет, спутников, астероидов, комет, межпланетного газа и пыли, находящихся в Солнечной системе, приходится всего лишь 0,13%. Плотность Солнца несколько больше воды и равна 1,4 г/см3.

Мы наблюдаем Солнце как диск желтого цвета, но на самом деле оно так не выглядит. Звезда излучает белый цвет. Однако у поверхности Земли Солнце выглядит как диск желтого оттенка из-за рассеивания в атмосфере и поглощения части излучения.

В Млечном пути находятся сотни миллиардов таких же звезд, подобных Солнцу. Самая близкая к нашей планете звезда – Проксима Центавра находится на расстоянии свыше четырех световых лет (или около 40 трлн. км).

Солнце – это звезда класса «желтый карлик» — G2V. Это значит, что во Вселенной есть гораздо большие звезды. Так, в Галактике есть объекты, радиус которых в 2 тыс. раз больше солнечного. Радиус Бетельгейзе – ближайшего к нам красного сверхгиганта больше солнечного примерно в 1200 раз.

Если изобразить схему Солнечной системы и поместить внутри нее Бетельгейзе, то она будет простираться до орбиты Юпитера.

Расстояние до Солнца от Земли в среднем составляет 150 млн. км — оно равняется одной астрономической единице. Видимый угловой диаметр для наблюдателя с земной поверхности немногим превышает половину градуса. Звезда находится примерно в 26 тыс. световых лет от центра Млечного Пути. Скорость вращения Солнца вокруг центра галактики – 230 километров в секунду.

Источник тепла и света Солнца – термоядерные реакции. После слияния четырех протонов образуется один атом гелия и энергия. В недрах Солнца происходят и другие реакции, в результате которых, например, образуются атомы металлов.

Приблизительно до 150 астрономических единиц в космосе доминирует так называемый солнечный ветер.

Солнце обращается вокруг своей оси. Вращение это неодинаково. В районе экватора звезда делает один оборот за 25 суток, а в районе полюсов – за 34 суток.

Таблица основных физических характеристик Солнца

Значение	Основные характеристики
Диаметр Солнца в километрах	1 миллион 392 тыс.
Протяженность экватора	4,37 млн. км
Масса	приблизительно 2•1027 тонн
Площадь поверхности	6 трлн. кв. км
Объем Солнца	1,41•1018 км³
Температура поверхности	6000 °С
Температура в центре Солнца	15 700 000 °С
Экваториальный период вращения вокруг оси	25 суток
Период вращения вокруг оси на полюсах	34 суток
Наклон оси вращения к эклиптике	7,25°
Наименьшее удаление до Земли (перигелий)	147,098 млн. км
Наибольшее удаление до Земли (афелий)	152,098 млн. км
Вторая космическая скорость	617 км/с
Ускорение свободного падения	274 м/с2
Мощность излучения	3,828•1026 ватт

Состав Солнца

Солнце состоит из водорода (на его долю приходится свыше 73 % массы) и гелия (около 25%). Другие вещества присутствуют в ничтожном количестве (около 1,5%). В числе этих полутора процентов – азот, кислород, железо, никель, магний и проч. Химический состав Солнца постоянно изменяется по причине постоянно происходящих реакций ядерного синтеза. Массовая доля водорода неуклонно уменьшается, превращаясь в гелий. Гелий также «выгорает», превращаясь в более тяжелые химические элементы.

Строение Солнца

Ошибочно мнение, будто дневная звезда состоит только из одного разогретого вещества. Строение Солнца довольно сложное. В нем различают шесть слоев. Причем 3 из них внутренние, а 3 образуют так называемую атмосферу. Узнаем подробнее, из чего состоит Солнце.

Внутренние слои Солнца

Внутреннее строение Солнца долгое время было загадкой для астрономов. Только в ХХ веке ее удалось разгадать. Внутри Солнца находятся следующие слои.

Это центральная часть звезды. Здесь происходят реакции ядерного синтеза. Радиус ядра – примерно 150 тыс. км.

Температура внутри Солнца доходит до невообразимых 15 миллионов градусов Кельвина. Давление же здесь составляет около 300 миллиардов атмосфер (свыше 30 000 трлн. Па). Из-за этого плотность солнечного ядра достигает 150 кг/см3 (что в 6,67 раз больше наиболее тяжелого металла на Земле – осмия).

Указанные параметры идеально подходят для реакций ядерного синтеза. Именно здесь появляется энергия, необходимая для поддержания жизни всего живого на нашей планете. Все другие участки Солнца имеют высокую температуру из-за перехода энергии из ядра. Сами они эту энергию не продуцируют.

Зона лучистого переноса

Ее еще называют зоной радиации. Она находится непосредственно над ядром. Радиус внешней границы лучистого переноса составляет 490 тыс. км. Температура медленно снижается до 2 миллионов градусов. Из-за снижения температуры уменьшается давление, в результате чего плотность солнечного вещества достигает 0,2 г/ см3. Конвекционного перемещения в этой зоне нет.

Энергия в зоне лучистого переноса распространяется путем постоянных поглощений, излучений фотонов протонами. Частицы могут двигаться в любом направлении. Этот процесс довольно медленный: из ядра фотон выходит наружу приблизительно 170 тысяч лет. Иными словами, мы сейчас видим свет, образовавшийся на Солнце, когда на Земле была ледниковая эпоха.

Зона конвективного переноса

Толщина конвективной зоны составляет около 200 тыс. километров. Плотность вещества здесь уже невелика, и оно активно перемещается. То есть разогретое вещество интенсивно поднимается вверх, отдает тепло, охлаждается и идет вниз. Скорость конвекции доходит до 6 километров в час. Эти процессы способствуют образованию солнечного магнитного поля.

На поверхности температура Солнца достигает 6 тысяч градусов, а вот плотность примерно в 1000 раз ниже, чем у земной атмосферы.

Солнечная поверхность неоднородна и имеет области с меньшей яркостью. Они называются пятнами. Продолжительность существования пятен – несколько дней. Интересно, что на Солнце могут быть пятна, которые превышают диаметр Земли. На поверхности Солнца также существуют:

• факулы – объекты с повышенной яркостью;
• гранулы – области, покрывающие фотосферу и различимы с Земли;
• супергранулы – объекты большого размера (порядка 35 тыс. км), обволакивающие поверхность Солнца.

Данные современных исследований показывают, что значение конвективных переносов чрезвычайно высоко. Именно в конвективной зоне происходят всевозможные движения солнечного вещества.

Атмосфера

Когда говорят об атмосфере Солнца, как правило, выделяют следующие 3 слоя: фотосферу, хромосферу и корону.

Фотосфера

Это самый нижний слой солнечной атмосферы. Это та область, которую мы видим с Земли, ведь Солнце излучает свет и тепло, распространяющиеся на все объекты в Солнечной системе. Толщина этого участка атмосферы – до 400 км.

Из фотосферы, или внешней излучающей поверхности Солнца на Землю попадает большинство излучения. Лучи из глубоко расположенных слоев к нам не поступают. Температура фотосферы снижается с 6000 градусов Кельвина до 4400. Эффективная температура рассчитывается по закону Стефана-Больцмана: мощность излучения абсолютно черного тела прямо пропорциональна температуре тела, возведенной в четвертую степень.

Фотосфера являет видимую поверхность нашей дневной звезды. По ней мы можем определить размеры Солнца и прочие параметры.

Хромосфера

Этот слой расположен над фотосферой. Толщина солнечной хромосферы составляет около 2 тыс. км. С Земли ее наблюдать довольно сложно из-за незначительной яркости. Хромосфера доступна земному наблюдателю во время солнечного затмения. В это время она светится красным светом.

Цвет хромосферы – красный. Название «хромосфера» произошло, по-видимому, от ее цвета. Красный оттенок объясняется тем, что в спектре преобладает линия излучения водорода серии Бальмера.

В толщи этого слоя наблюдаются спикулы – плазменные столбы, которые выбрасываются из нижних слоев. Длина одного такого столба может достигать 20 тыс. км. По мере возрастания высоты температура хромосферы возрастает и достигает 20 тыс. градусов на верхней границе.

Корона

Это самый верхний слой солнечной атмосферы. Ее границы не определены. Солнечная корона характеризуется наличием крайне разреженного вещества. Температура этой области достигает нескольких миллионов градусов. В отдельных ее участках температура может достигать 20 миллионов градусов.

Солнечная корона видна только при полном затмении. Это объясняется тем, что плотность ее вещества крайне мала, а, следовательно, яркость слоя незначительна. Форма короны изменяется зависимо от фазы цикла. В максимум активности она приближается к кругу, а в минимум – вытягивается. Солнечная корона излучает ультрафиолетовые и рентгеновские лучи.

Строение атмосферы Солнца таит в себе много загадок. На сегодня неизвестно, почему температурные показатели солнечной короны достигают столь высоких значений. В короне иногда можно обнаружить протуберанцы. Высота одного такого «факела» может превышать полтора миллиона километров.

Магнитное поле

Солнце имеет собственное магнитное поле. Различают глобальное и несколько локальных полей.

Глобальное магнитное поле Солнца имеет цикличность примерно в 11 лет. С ней связаны изменения частоты появления пятен. Это явление называется «цикл Швабе». Этот ученый еще в 19 веке приметил, что число пятен на поверхности Солнца подвержено периодическим изменениям. Несколько позже стало очевидно, что такие изменения связаны с колебаниями магнитного поля. Следовательно, необходимо два 11-летних цикла, чтобы состояние возвратилось к прежнему. Этот 22-летний цикл называется «цикл Хейла».

Кроме того, в различных участках Солнца наблюдаются локальные магнитные поля разной интенсивности. Их параметры могут быть разными. Редко когда время существования такого магнитного поля превышает 10 дней. Локальные поля чаще всего обнаруживаются возле солнечных пятен.

Жизненный цикл Солнца

Эволюция Солнца – вопрос, интересующий не одно поколение астрономов. Ученые оценивают возраст Солнца в 4,5 миллиарда лет. Оно возникло из газопылевого облака, сжимающегося под воздействием сил гравитации. Из такого же облака возникли и все остальные объекты Солнечной системы, в том числе и наша планета. Из-за сжатия начинает возрастать плотность и температура. Когда температура и давление возросли до необходимых значений, начались термоядерные реакции. Так, собственно, и начался жизненный цикл Солнца.

Масса нашей дневной звезды постепенно снижается из-за реакций ядерного синтеза. Ежесекундно 4 миллиарда тонн вещества Солнца превращается в энергию. Однако запасов водорода для поддержания протекания протон-протонной термоядерной реакции хватит на несколько миллиардов лет.

Температура светила увеличивается на 10 процентов каждые 1,1 млрд. лет. Это дает основания предположить, что раньше температура воздуха на планете была ниже, а на Венере, вероятно, могла бы существовать вода в жидкой фазе (сейчас температура Венеры такова, что на ней может плавиться свинец). Поскольку в будущем светимость Солнца будет возрастать, это приведет к увеличению температуры на Земле. Из-за высокой температуры испарятся океаны, молекулы воды, увлекаемые движением, улетучатся в космическое пространство и разложатся на атомы кислорода и водорода, а сама Земля превратится в безжизненное космическое тело.

Из-за уменьшения количества водорода на Солнце будет уменьшаться ядро. Но сама звезда «раздуется». Примерно через 6,5 млрд лет водород на Солнце выгорит. Однако ядерные реакции синтеза на этом не остановятся: начнет выгорать гелий, причем этот процесс будет происходить не в ядре, а в оболочке Солнца. Вследствие этого размеры Солнца увеличатся, и оно достигнет орбиты Земли. В этой стадии оно будет красным гигантом.

Однако рано или поздно выгорит гелий. Это произойдет примерно за 110 миллионов лет. В результате пульсаций внешние слои Солнца постепенно отделятся от ядра. Солнечное ядро превратится в белый карлик, и его диаметр будет примерно соответствовать нынешнему земному. Это при том, что масса ядра будет только вдвое меньше нынешнего Солнца.

Белый карлик будет медленно охлаждаться. В этом объекте не протекают ядерные реакции. Приблизительно через 10 миллиардов лет из Солнца останется черный карлик.

Орбита и место расположения Солнца в галактике Млечный Путь

Солнце, как и вся Солнечная система, обращается вокруг центра Млечного пути. В этом центре расположена большая черная дыра. Солнечная система совершает оборот вокруг этого центра приблизительно за 250 миллионов лет.

Солнце и Солнечная система, а также наша галактика находятся в рукаве Ориона. Скорость вращения галактики равна скорости вращения спиральных рукавов. Из-за этого Солнечная система не попадает под их влияние. Спиральные рукава излучают лучи, уничтожающие все живое на планете.

Солнечный ветер

Так называется поток ионизированных частиц, исходящих от Солнца. Его скорость может достигать 1200 километров в секунду. Потоки солнечного ветра пронизывают все пространство Солнца. Состав частиц в солнечном ветре – протоны, электроны и альфа-частицы.

Существует медленный и быстрый солнечный ветер. Медленный ветер движется со скоростью примерно 400 км/ч и нагрет примерно до полутора миллионов градусов. Его состав примерно отвечает солнечной короне. Быстрый ветер движется с большей скоростью, имеет более низкую температуру, его плотность вдвое выше.

Ежесекундно Солнцем излучается примерно 1,3⋅1036 частиц, уносимых солнечным ветром. Следовательно, за год звезда теряет в массе примерно 2⋅10−14 массы. На Земле регулярно происходят природные явления, которые связаны с распространением солнечного ветра и его возмущениями (например, магнитные бури и северные сияния).

Солнечные циклы и активность

Солнечная активность – это совокупность явлений, связанных с образованием сильных магнитных полей. Их проявление видно в фотосфере как солнечные пятна. Магнитные поля провоцируют вспышки, потоки быстрых частиц, корональные выбросы, возмущения в солнечном ветре, изменения электромагнитного излучение, потоков космических лучей. На Земле эти поля провоцируют магнитные бури и другие явления.

Показателем уровня активности Солнца является число Вольфа. Оно показывает количество пятен на видимой с Земли части звезды. Оно меняется с периодом примерно 11 лет. За последние 300 лет длительность цикла находился в более широких пределах. Им приписывают последовательные номера. В декабре 2019 года начался 11-летний цикл, который продлится предположительно до 2030 года.

Ученые определяют также 22-летний цикл. Фактически, это изменение полярности магнитного поля. Вековой цикл длится примерно 70 – 100 лет. Наконец, радиоуглеродный анализ указывает на наличие 2300-летнего цикла.

Исследование Солнца

Человечество начало интересоваться Солнцем с незапамятных времен. Оно почиталось как божество. Однако уже в античные времена появились первые научные взгляды на звезду. Уже тогда высказывались мнения, что Солнце – центр, вокруг которого вращаются планеты. Такая теория была возрождена Коперником только в 16 веке.

Впервые солнечные пятна стали наблюдать в Китае во времена династии Хань. В 12 веке появились первые рисунки солнечных пятен.

Инструментальное исследование Солнца началось в 1610 г благодаря изобретению телескопа, гелиоскопа. Астроном Кассини вычислил приблизительное расстояние от Земли до Солнца.

В 19 веке был установлен состав Солнца благодаря спектроскопии. В ХХ веке было установлено, что источником энергии Солнца является термоядерная реакция. Впоследствии было установлено, что подобные реакции происходят во всех звездах. В 2020 году были сделаны самые точные снимки нашей дневной звезды.