Солнце

Солнце 

Солнце в видимых лучах Солнце в рентгеновских лучах

Со́лнце — центральное тело Солнечной системы, «наша», и потому ближайшая к нам звезда (среднее расстояние от Земли примерно 149,6 млн. км). Солнце представляет собой гигантский плазменный шар, удерживающий вокруг себя все остальные тела Солнечной системы своим тяготением. Излучение Солнца является основным источником энергии для жизни на Земле.

Солнце как звезда

Солнце — одна из сотен миллиардов звёзд нашей Галактики; расположено в одном из её рукавов примерно в 25 000—28 000 световых лет от центра Млечного Пути и совершает один оборот примерно за 226 млн. лет. Возраст Солнца — 5 млрд. лет. Спектральный класс Солнца G2V, оно является жёлтым карликом.

Физические характеристики

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 равна 1,99 × 10³⁰ кг, в 330 000 раз больше массы Земли. Средняя плотность Солнца невелика — всего 1,4 г/см³, хотя в центре Солнца она достигает 150 г/см³. Ускорение свободного падения на поверхности Солнца равно 27398 см/с² (= 27.9 g), а вторая космическая скорость — 618 км/с.

Ежесекундно Солнце излучает 3,84 × 10²⁶ Дж энергии, что в масс-энергетическом эквиваленте соответствует потере массы 4,26 миллионов тонн в секунду. Температура видимой поверхности Солнца равна 5800 К, в центре Солнца температура достигает 15 000 000 К.

С Земли Солнце выглядит как ослепительно сверкающий диск с угловым размером около половины градуса (видимый угловой размер Солнца незначительно меняется в течение года из-за изменения расстояния Солнце — Земля при годовом движении Земли по орбите). Звёздная величина Солнца равна −26,7^m; это самый яркий объект на земном небе.

Наблюдения деталей на поверхности Солнца показывают, что оно вращается вокруг оси, наклоненной к плоскости земной орбиты на 82° 45'. При этом поверхностные слои Солнца вращаются не как твёрдое тело — угловая скорость вращения убывает по мере приближения к полюсам, так что точка на экваторе Солнца совершает один оборот за 25 суток, а точка вблизи полюса — за 30 суток.

См. также: Солнечная масса, Солнечный радиус, Солнечная светимость.

Спектр и химический состав Солнца

В видимой области Солнце излучает непрерывный спектр, на фоне которого видны десятки тысяч темных линий поглощения, образующихся при прохождении солнечного света через атмосферу Солнца и Земли. Впервые они были описаны в 1814 г. австрийским физиком Фраунгофером, и потому часто называются фраунгоферовыми линиями. Их изучение позволяет судить о химическом составе Солнца. Установлено, что преобладающими химическими элементами на Солнце являются водород и гелий. Водород составляет 92 % по числу атомов и 70 % по массе, гелий — 7,8 % и 29 % соответственно. Остальные элементы вместе взятые составляют менее процента массы Солнца.

Источники солнечной энергии

Источник энергии Солнца — реакции термоядерного синтеза, протекающие в его недрах. Впервые идея о ядерных источниках излучения Солнца была выдвинута французским астрономом Жаном-Батистом Перрэном, а затем поддержена и развита английским астрономом Артуром Эддингтоном и другими учёными.

Суммарным итогом термоядерной реакции, дающей основной вклад в энерговыделение Солнца, является слияние четырёх протонов с образованием ядра атома гелия и выделением энергии, эквивалентной 0,7 % массы этих протонов. Эта реакция, получившая название протон-протонного цикла, проходит в три стадии. Вначале два протона, имеющие достаточно энергии, чтобы преодолеть кулоновский барьер, сливаются, образуя дейтрон — ядро атома водорода, позитрон и электронное нейтрино; затем дейтрон сливается с протоном, образуя ядро атома лёгкого изотопа гелия; наконец, два ядра атома гелия-3 сливаются, образуя ядро атома гелия-4. При этом высвобождается два протона.

p + p → ²D + e⁺ + ν_e ²D + p → ³He + γ ³He + ³He → ⁴He + 2p

Используя сформулированный Альбертом Эйнштейном закон взаимосвязи массы и энергии можно подсчитать, что в указанной реакции выделяется 6,3·10¹³ джоулей на каждый килограмм водорода.

Реакция протекает при температуре около 10 млн. К. в ядре Солнца. Перенос энергии из ядра Солнца к поверхности совершается крайне медленно, сначала за счёт поглощения и переизлучения фотонов в зоне лучистого переноса, а затем – за счёт конвекции в конвективной зоне.

Время, за которое Солнце истощит запасы водородного топлива и термоядерная водород-гелиевая реакция прекратится, оценивается в 6 миллиардов лет .

Эволюция Солнца

Солнце является звездой третьего поколения, образование которой, как предполагается, было инициированно ударными волнами от взрыва близлежащей сверхновой. Это подтверждается высоким содержанием тяжёлых элементов в Солнечной системе, которые образуются при взрыве сверхновой или при ядерном превращении элементов в массивных звездах второго поколения.

Возраст Солнца оценивается в 4,5 миллиарда лет с момента начала водородного синтеза. В течение этого времени яркость Солнца постепенно росла. Водородного топлива хватит ещё примерно на 6 миллиардов лет, причём яркость Солнца будет продолжать расти . После этого Солнце превратится в красный гигант, и размеры его станут сравнимыми с расстоянием от Земли до Солнца. В течение порядка 250 миллионов лет яркость Солнца будет в 500 раз больше нынешней , что, вероятно, приведёт к испарению всей находящейся на Земле воды и гибели всех живых существ на Земле.

Через некоторое время (сотни миллионов лет) после превращения Солнца в красный гигант, ядро красного гиганта сожмётся и нагреется настолько, что там начнётся реакция гелиевого синтеза: ядра гелия будут превращаться в ядра углерода и кислорода. Ещё сотни миллионов лет Солнце будет красным гигантом, светящим за счёт гелиевого синтеза. После выгорания гелиевого топлива, оно потеряет часть массы и превратится в белый карлик, поначалу светящийся за счёт гравитационного сжатия, а потом постепенно охлаждающийся.

Проблема солнечных нейтрино

В ходе реакций протон-протонного цикла образуются электронные нейтрино. Практически не взаимодействуя с веществом, они беспрепятственно покидают ядро Солнца. С 1960-х годов предпринимаются попытки зарегистрировать солнечные нейтрино при помощи огромных подземных детекторов. В ходе экспериментов солнечные нейтрино действительно были обнаружены и доказано их солнечное происхождение. Однако в разных экспериментах количество зарегистрированных нейтрино составляло от трети до половины ожидаемого. Это расхождение теории и эксперимента получило название проблемы солнечных нейтрино. Решение этой проблемы требовало пересмотра либо представлений о процессах, происходящих в ядре Солнца, либо о свойствах нейтрино. Эксперименты, проведённые в последние годы, сделали наиболее вероятным объяснением то, что причиной несоответствия является превращение электронных нейтрино в другие типы (мюонное или тау-нейтрино), которые не регистрировались детекторами.

Внутреннее строение Солнца

Файл:Строение Солнца.png

Внутреннее строение Солнца

Ядро

Центральная часть Солнца называется его ядром. Радиус ядра составляет примерно пятую часть от радиуса Солнца. Границы ядра определяются границами центральной зоны Солнца, в которой происходят питающие солнечное излучение термоядерные реакции.

Зона лучистого переноса

Над ядром, на расстояниях около 0,2÷0,7 радиуса Солнца от его центра, находится зона лучистого переноса, в которой энергия переносится с помощью переизлучения фотонов.

Конвективная зона

Ближе к поверхности Солнца возникает вихревое перемешивание вещества, и перенос энергии совершается преимущественно самим веществом. Такой способ передачи энергии называется конвекцией, а подповерхностный слой Солнца, где она происходит — конвективной зоной. По предположениям исследователей Солнца, её роль в физике солнечных процессов исключительно велика, так как именно в ней зарождаются разнообразные движения солнечного вещества и магнитные поля.

Атмосфера Солнца

Фотосфера

Фотосфера (слой, излучающий свет) достигает толщины ~320 км и образует видимую поверхность Солнца. Из фотосферы исходит основная часть оптического (видимого) излучения Солнца, излучение же из более глубоких слоёв до неё уже не доходит. Температура в фотосфере достигает в среднем 5800 К. Здесь средняя плотность газа составляет менее 1/1000 плотности земного воздуха, а температура по мере приближения к внешнему краю фотосферы уменьшается до 4800 К. Водород при таких условиях сохраняется почти полностью в нейтральном состоянии. Фотосфера образует видимую поверхность Солнца, от которой определяются размеры Солнца, расстояние от поверхности Солнца и т. д.

Хромосфера

Хромосфера достигает высоты 7 000 км, её температура изменяется от 4000 К (нижняя хромосфера) до 100 000 K (верхняя хромосфера).
Можно увидеть во время полного солнечного затмения в виде узкого желто-красного кольца. Толщина хромосферы – 12-15 тыс. км.
Солнечная хромосфера весьма неоднородна: в ней присутствуют продолговатые, похожие на языки пламени образования, так называемые спикулы.

Корона

Корона плавно переходит в межпланетную среду, её форма и интенсивность излучения сильно зависит от фазы цикла солнечной активности. Температура короны доходит до 1,8 х 10⁶ K.

Солнечный ветер

Из внешней части солнечной короны истекает солнечный ветер — поток ионизированных частиц (в основном водородной и гелиевой плазмы), имеющий скорость 300–1200 км/с и распространяющийся, с постепенным уменьшением своей плотности, до границ гелиосферы.

На Земле множество природных явлений связано с солнечным ветром, в том числе магнитные бури, полярные сияния.

Солнечная активность и солнечный цикл

Солнечной активностью называют комплекс явлений, связанных с генерацией в глубине Солнца и всплыванием к его поверхности сильных магнитных полей. Эти поля проявляются в фотосфере как солнечные пятна и вызывают такие явления, как солнечные вспышки, генерацию потоков ускоренных частиц, изменения в уровнях электромагнитного излучения Солнца в различных диапазонах, корональные извержения массы, вариации скорости солнечного ветра и т.д.

С солнечной активностью связаны также вариации геомагнитной активности, которые являются следствием достигающих Земли возмущений межпланетной среды, вызыванных, в свою очередь, активными явлениями на Солнце.

Одним из наиболее распространённых показателей уровня солнечной активности являтся число Вольфа, связанное с количеством солнечных пятен на видимой полусфере Солнца. Общий уровень солнечной активности меняется с характерным периодом, примерно равным 11 годам (так называемый «цикл солнечной активности» или «одиннадцатилетний цикл»). Этот период выдерживается неточно и в 20 веке был ближе к 10 годам, а за последние 300 лет варьировался примерно от 7 до 17 лет. Циклам солнечной активности принято приписывать последовательные номера, начиная от условно выбранного первого цикла, максимум которого был в 1761 году. В 2000 году наблюдался максимум 23-го цикла солнечной активности.

Существуют также вариации солнечной активности большей длительности. Так, во второй половине 17 века солнечная активность и, в частности, её одиннадцатилетний цикл были сильно ослаблены (минимум Маундера). В эту же эпоху в Европе отмечалось снижение среднегодовых температур (т.н. Малый Ледниковый Период), что, возможно, вызвано воздействием солнечной активности на климат Земли. Существует также точка зрения, что глобальное потепление до некоторой степени вызвано повышением глобального уровня солнечной активности во второй половине 20 века. Тем не менее, механизмы такого воздействия пока ещё недостаточно ясны.

Солнце и Земля

См. Солнечная радиация

Городские легенды о Солнце

В 2002 и последующих годах в СМИ появилось сообщение, что через 6 лет Солнце взорвётся (то есть превратится в сверхновую звезду) [1] [2]. Источником информации назывался «голландский астрофизик доктор Пирс Ван дер Меер (Piers Van der Meer), эксперт Европейского космического агентства (ESA)». В действительности в ЕSA нет сотрудника с таким именем [3]. Более того, астрофизика с таким именем вообще не существует [4]. Водородного топлива хватит Солнцу на несколько миллиардов лет. По истечении этого времени Солнце разогреется до высоких температур (хотя и не сразу - этот процесс займёт десятки или сотни миллионов лет), но не станет сверхновой звездой. Солнце в принципе не может превратиться в сверхновую звезду из-за недостаточной массы.

Исходное сообщение опубликовано в Weekly World News - газете, известной своей склонностью к публикации сомнительной информации. [5]

Ссылки

• Солнце и жизнь Земли
• Солнце и Земля. Единые колебания
• Солнце. Солнечная система. Общая астрономия