Как называется видимый слой солнца

Как называется видимый слой солнца

Солнце – единственная из всех звезд, которую мы видим не как сверкающую точку, а как сияющий диск. Благодаря этому астрономы имеют возможность изучать различные детали на его поверхности. Что же такое солнечное пятно? Пятна на Солнце – далеко не устойчивые образования. Они возникают, развиваются и исчезают, а взамен исчезнувших появляются новые. Изредка образуются пятна-исполины. Так, в апреле 1947 года на Солнце наблюдалось сложное пятно: его площадь превышала площадь поверхности земного шара в 350 раз! Оно было хорошо видно невооруженным глазом. Такие большие пятна на Солнце замечались еще в древности. В Никоновской летописи за 1365 год можно найти упоминание о том, как наши предки на Руси видели на Солнце сквозь дым лесных пожарищ «темные пятна, аки гвозди».
Появляясь на восточном краю Солнца, перемещаясь по его диску слева направо и исчезая за западным краем дневного светила, солнечные пятна дают прекрасную возможность не только убедиться во вращении Солнца вокруг оси, но и определить период этого вращения (более точно он определяется по доплеровскому смещению спектральных линий). Измерения показали: период вращения Солнца на экваторе составляет 25,38 суток (по отношению к Земле – 27,3 суток), в средних широтах – 27 суток и у полюсов около 35 суток. Таким образом, на экваторе Солнце вращается быстрее, чем у полюсов. Зональное вращение светила указывает на его газообразное состояние.
Центральная часть большого пятна в телескоп выглядит совсем черной. Но пятна только кажутся темными, поскольку мы наблюдаем их на фоне яркой фотосферы. Если бы пятно можно было бы рассмотреть отдельно, то мы бы увидели, что оно светится сильнее, чем электрическая дуга, так как его температура около 4500 К, то есть на 1500 К меньше температуры фотосферы. Солнечное пятно средних размеров на фоне ночного неба казалось бы таким же ярким, как Луна в фазе ночного неба казалась бы таким же ярким, как Луна в фазе полнолуния.
Обычно темное ядро большого пятна бывает окружено серой полутенью, состоящей из светлых радиальных волокон, расположенных на темном фоне. Вся эта структура хорошо видна даже в небольшой телескоп. Еще в 1774 году шотландский астроном Александр Вилсон, наблюдая пятна у края солнечного диска, сделал вывод, что большие пятна являются углублениями в фотосфере. В дальнейшем расчеты показали, что «дно» пятна лежит ниже уровня фотосферы в среднем на 700 км. Словом, пятна – гигантские воронки в фотосфере.
Вокруг пятен в лучах водорода отчетливо видно вихревое строение хромосферы. Эта вихревая структура указывает на существование бурных движений газа вокруг пятна. Такой же рисунок создают железные опилки. Подобное сходство заставило американского астронома Джорджа Хейла (1868-1938) заподозрить, что солнечные пятна – огромные магниты. Хейлу было известно, что спектральные линии расщепляются, если излучающий газ находится в магнитном поле (так называемое зеемановское расщепление). И когда астроном сравнил величину расщепления, наблюдавшегося в спектре солнечных пятен, с результатами лабораторных опытов с газом в магнитном поле, то обнаружил, что магнитные поля пятен в тысячи раз превышают индукцию земного магнитного поля. Напряженность магнитного поля у поверхности Земли около 0,5 эрстеда. А в солнечных пятнах она всегда больше 1500 эрстед – иногда достигает 5000 эрстед!
Открытие магнитной природы солнечных пятен – одно из важнейших открытий в астрофизике начала ХХ века. Впервые было установлено, что магнитными свойствами обладает не только наша Земля, но и другие небесные тела. Солнце в этом отношении вышло на первый план. Только наша планета имеет постоянное дипольное магнитное поле с двумя полюсами, а магнитное поле Солнца отличается сложной структурой, и мало того, оно «переворачивается», то есть изменяет свой знак, или полярность. И хотя солнечные пятна являются весьма сильными магнитами, общее магнитное поле Солнца редко превышает 1 эрстед, что в несколько раз больше среднего поля Земли.
Сильное магнитное поле пятен как раз и есть причина их низкой температуры. Ведь поле создает изолирующий слой под пятном и благодаря этому резко замедляет процесс конвекции – уменьшает приток энергии из глубин светила. Большие пятна предпочитают появляться парами. Каждая такая пара располагается почти параллельно солнечному экватору. Ведущее, или головное, пятно движется обычно немного быстрее, чем замыкающее пятно. Поэтому в течение первых нескольких дней пятна удаляются друг от друга. Одновременно размер пятен увеличивается. Часто в промежутке между двумя основными пятнами появляется «цепочка» маленьких пятен. После того как это произойдет, хвостовое пятно может претерпеть быстрый распад и исчезнуть. Остается только ведущее пятно, которое уменьшается медленнее и живет в среднем в 4 раза дольше своего компаньона. Подобный процесс развития характерен почти для каждой большой группы солнечных пятен. Большинство пятен живет всего несколько дней (даже часов), а другие наблюдаются несколько месяцев. Пятна, поперечник которых достигает 40-50 тыс. км, можно увидеть через светофильтр (густое закопченное стекло) невооруженным глазом.

Источник

Строение Солнца. Фотосфера

Ну вот мы и добрались с вами до атмосферы Солнца. До его видимого края. До фотосферы.

Фотосфера излучает в основном в оптическом диапазоне. Это ярчайший, с точки зрения нашего восприятия, слой нашей звезды. Мы не видим того, что спрятано под фотосферой — там вещество непрозрачно. Мы не видим и того, что находится выше — хромосферу и корону — там вещество слишком разрежено, его излучение очень слабо и на фоне фотосферы глазом его разглядеть невозможно без специальных фильтров. А фотосфера — видимая поверхность Солнца. Её и сфотографировали первой. Чёрно-белые фотографии поверхности Солнца разлетались по миру в 1970-х и 80-х годах как диковинка.

В фотосфере мы наблюдаем гранулы, поры, пятна, факелы.

Сами «зернышки» тоже образуют » кипящую кашу». Гранулы объединяются в более крупные образования — супергранулы. В центре супергранулы всплывают горячие зернышки-гранулы, растекаются от центра к краям, остывают и опускаются вниз. Супергранулы в фотосфере не видны, супергрануляционная сетка видна только в более высоком слое атмосферы Солнца — в хромосфере. Линейный размер супергранулы — примерно 32 тыс. км, время жизни — около суток.

Пятна — самое заметное в фотосфере явление. На фоне фотосферы они пятна кажутся почти чёрными, потому что температура в них на пару тысяч градусов ниже, чем в окружающей фотосфере. Они похожи на гигантские кратеры глубиной в среднем около 200–500 км (это глубина так называемой вильсоновской депрессии). Причина образования пятен — выход на поверхность потока сильного магнитного поля. Оно прекращает конвекцию, «кипение» в «кастрюле» на месте пятна останавливается и вместо ярких зёрнышек «риса» мы видим в этом месте тёмную область. Пятно имеет сложную структуру. Тёмная его середина называется «тень». Это область, где конвекция не идёт. В разрезе пятно можно представить как кратер/кастрюлю. В его центре газ сильно разрежен, температура там около 4 тыс. градусов. Тень окружена более светлым кольцом — полутенью. Она состоит из тонких ярких горячих волоконец — течений горячей плазмы из центра пятна к краям (это течения Эвершеда, их скорость от 1 до 4 м/с).

Пятна бывают единичными, но нередко возникают группами или парами. Тогда различают ведущее пятно, которое первым появляется на диске Солнца с восточной стороны, и ведомое — следующее за ним. Ведущее пятно, как правило, более компактное, имеет большее магнитное поле и живёт дольше, иногда до двух оборотов Солнца (обычно пятна живут около недели). Группы пятен могут насчитывать сотни пятен, их суммарная площадь в группе может в десятки раз превышать площадь всего земного шара.

Пятна «мигрируют», то есть области их возникновения перемещаются по поверхности Солнца: вначале пятна появляются ближе к полюсам Солнца, на высоких широтах, потом постепенно места их появления сползают к экватору. То есть конкретное пятно «сидит» вполне себе на месте, но когда оно исчезает, следующее появляется уже «ниже», дальше от полюса. Эта закономерность возникновения пятен на диске Солнца называется законом Шпёрера. Количество пятен на солнце — один из основных показателей солнечной активности.

Источник

Что такое Солнце — описание, структура, образование, эволюция, орбита, исследование и факты

Солнце является основным источником энергии для Земли и всей Солнечной системы. Без него жизнь на нашей планете была бы невозможна. Неслучайно у многих древнейших цивилизаций (например, у египтян) именно бог Солнца считался верховным божеством, которому все остальные Боги были подчинены. Однако современная наука может рассказать о нашем светиле значительно больше, чем древнеегипетские мифы. Какие процессы протекают внутри Солнца, какова история этой звезды, и какое будущее ожидает ее через миллиарды лет?

Общая характеристика

Солнце – это огромный разогретый шар из газа, чей диаметр оценивается в 1,392 млн км. Это в 109 раз больше диаметра нашей планеты. На звезду приходится 99,87% всей массы Солнечной системы.

С Земли кажется, что светило имеет желтый цвет, однако это иллюзия, связанная с влиянием атмосферы нашей планеты на солнечный свет. На самом деле Солнце излучает почти белый свет.

Солнце – это одна из сотен миллиардов звезд галактики Млечный путь. Ближайшая к Солнцу звезда – это Проксима Центавра, находящаяся от неё на расстоянии 4,24 световых лет. Для сравнения – расстояние от Земли до Солнца, принимаемое за астрономическую единицу (а.е.), солнечный свет проходит всего за 8,32 минут.

По астрономической классификации Солнце относится к типу «желтых карликов». Это значит, что оно не так и велико по сравнению с размерами других звезд, но довольно ярко светит. Наше светило входит 15% самых ярких звезд Млечного Пути. Вместе с тем в галактике есть звезды, чей радиус превышает солнечный в 2000 раз!

Источником тепла, излучаемого звездой, являются термоядерные реакции. В центре Солнца атомы водорода сливаются друг с другом, в результате чего образуется атом гелия и некоторое количество энергии. Это реакция называется протон-протонным циклом, на него приходится порядка 98% энергии, вырабатываемой светилом. Однако имеют место и иные реакции, в ходе которых «сгорают» такие элементы, как гелий, углерод, кислород, неон и кремний, а образуются металлы (железо, магний, кальций, никель) и другие элементы (сера). Все эти процессы называют звездным нуклеосинтезом.

Влияние Солнца на окружающие небесные тела огромно. Солнечный ветер (частицы вещества, излучаемого звездой), доминируют в межпланетном пространстве на расстоянии до 100-150 а.е. от светила. Считается, что гравитация нашей звезды определяет орбиты тел, находящихся даже на расстоянии светового года от неё (в облаке Оорта).

Само Солнце также вращается вокруг своей оси. Так как оно состоит из газов, то разные его слои вращаются с разной угловой скоростью. Если в районе экватора период обращения составляет 25 дней, то на полюсах он увеличивается до 34 дней. Более того, последние исследования показывают, что внутренние области совершают оборот значительно быстрее, чем внешняя оболочка.

Таблица «Основные физические характеристики Солнца»

Состав Солнца

Основными элементами, из которых состоит наша звезда, являются водород (73,5% солнечной) и гелий (24,9%). На все остальные элементы приходится примерно 1,5%.

Химический состав светила непостоянен – он меняется из-за превращений, происходящих во время термоядерных реакций. На заре своего существования Солнце почти полностью состояло из водорода. В ходе термоядерных реакций этот элемент превращается в гелий, поэтому его массовая доля падает. Гелий также превращается в более тяжелые элементы, однако, однако в целом его доля возрастает. Изменения химического состава звезд оказывают огромное влияние на процессы их эволюции.

Строение Солнца

Конечно, у Солнца, состоящего из газов, нет привычной нам твердой поверхности. Значительную ее часть составляет атмосфера, которая по мере движения к центру светила уплотняется. Тем не менее принято выделять 6 «слоев», из которых состоит звезда. Три из них являются внутренними, а следующие три образуют солнечную атмосферу.

Внутреннее строение Солнца

Внутренняя структура нашей звезды включает следующие слои:

В центре светила располагается ядро. Именно в этой области идут термоядерные реакции. Радиус ядра оценивается в 150 тыс. км. Температура здесь не опускается ниже 13,5 млн градусов, а давление доходит до 200 млрд атм. Из-за этого вещество здесь находится в крайне плотном состоянии. Его плотность составляет 150 г/куб. см. Это в 7,5 раз выше плотности золота. Именно такие условия необходимы для протекания термоядерных реакций. Надо понимать, что именно в ядре вырабатывается энергия, которую и излучает Солнце. Все остальные области звезды лишь обогреваются ядром, но сами ее не вырабатывают.

Зона лучистого переноса

Над ядром располагается зона радиации, которую также именуют зоной лучистого переноса. Ее внешняя граница проходит по сфере радиусом 490 тыс. км. Температура постепенно падает от отметки в 7 млн градусов на границе с ядром до 2 млн градусов у внешней границы. Также и плотность вещества снижается с 20 до 0,2 г/куб. см. Тем не менее из-за высокой плотности атомы водорода не могут двигаться. То есть если при нагреве, например, воды ее теплые слои поднимаются на поверхность, перенося туда тепло, то здесь такой механизм не работает – вещество остается неподвижным. Единственный способ энергии пробраться через зону радиации – это длительная цепочка поглощений и излучений фотонов атомами водорода. Из-за этого фотон, возникший при термоядерной реакции в ядре, в среднем «пробирается» наружу через зону радиации примерно 170 тыс. лет!

Зона конвективного переноса

Выше располагается зона конвективного переноса толщиной 200 тыс. км. Здесь плотность уже невысока, и вещество активно перемешивается – нагретые газы поднимаются наверх, отдают тепло, остывают и снова погружаются вниз. Скорость газовых потоков может достигать 6 км/с. Именно это движение порождает магнитное поле Солнца. Температура на поверхности падает до 6000° С, а плотность на три порядка ниже плотности земной атмосферы.

Атмосфера

Атмосфера Солнца состоит из следующих слоев:

Фотосфера

Нижний слой атмосферы называют фотосферой. Именно она излучает тот свет, который согревает планеты Солнечной системы. Толщина фотосферы колеблется от 100 до 400 км. На внешней границе фотосферы температура падает до 4700° С.

Хромосфера

Над фотосферой располагается хромосфера – слой толщиной около 2000 км. Её яркость очень мала, поэтому с Земли её можно наблюдать довольно сложно. Удобнее всего это делать во время солнечных затмений. Она имеет специфический красный оттенок. В хромосфере можно наблюдать спикулы – столбы плазмы, выбрасываемые из нижних слоев хромосферы. Время существования одной спикулы не превышает 10 минут, а длина доходит до 20 тыс. км. Одновременно в хромосфере находится около миллиона спикул. Интересно, что с увеличением высоты температура хромосферы не падает, а растет, и на верхней границе может доходить до 20 000° С.

Корона

Верхний слой атмосферы называется короной. Ее верхняя граница до сих пор четко не определена. Вещество в ней крайне разрежено, однако температура в ней может достигать нескольких миллионов градусов. На сегодня ученым не удалось полностью объяснить, за счет каких механизмов солнечная корона разогревается до такой температуры. В короне можно наблюдать протуберанцы – выбросы солнечного вещества, чья высота над поверхностью звезды может достигать 1,7 млн км.

Магнитное поле Солнца

У Солнца есть магнитное поле. Исследователи выделяют глобальное поле звезды и множество локальных полей.

Глобальное поле обладает цикличностью. Его напряженность колеблется с частотой 11 лет, при этом наблюдаются изменения в частоте появления солнечных пятен. Такой цикл называют «циклом Швабе» по фамилии ученого, заметившего ещё в XIX веке, что количество солнечных пятен на поверхности светила меняется циклически. Лишь позже стала очевидна связь этого явления с процессами в зоне конвективного переноса и колебаниями магнитного поля. В начале XX века стало ясно, что за один цикл Швабе полярность магнитного поля меняется на противоположное. То есть Солнцу нужна два 11-летних цикла, чтобы магнитное поле вернулось к начальному состоянию. В связи с этим выделяют 22-летний цикл, известный как «цикл Хейла».

В разных районах Солнца могут наблюдаться и малые, то есть локальные магнитные поля. Их напряженность может в тысячи раз превышать напряженность глобального поля, однако время их существования редко превышает несколько десятков дней. Особенно часто локальные поля наблюдаются в районе солнечных пятен. Дело в том, что эти пятна как раз и являются теми точками, через которые магнитные поля из внутренних областей выходят наружу.

Жизненный цикл Солнца

Возраст Солнца оценивается учеными в 4,5 млрд лет. Сформировалось оно из газопылевого облака, которое постепенно сжималось под действием собственной гравитации. Из этого же облака возникли планеты и почти все остальные объекты в Солнечной системе. Когда в центре сжимающегося облака плотность, а вместе с ней температура и давление выросли до критических значений, началась термоядерная реакция – так зажглось Солнце.

В ходе термоядерных реакций масса Солнца постепенно уменьшается. Каждую секунду 4 млн тон солнечного вещества преобразуется в энергию. Вместе с тем звезда разогревается. Каждый 1,1 млрд лет яркость Солнца увеличивается на 10%. Это значит, что ранее температура на Земле была значительно ниже, чем сейчас, а на Венере, возможно, была жидкая вода или даже жизнь (сейчас средняя температура на поверхности Венеры составляет 464° С). В будущем же яркость Солнца будет возрастать, что будет вести к росту температуры на Земле. Через 3,5 млрд лет яркость светила вырастет на 40%, и условия на Земле станут такими же, как и на Венере. С другой стороны, Марс также разогреется и станет более пригодным для жизни. Таким образом, в ходе эволюции звезды так называемая «зона обитаемости», постепенно удаляется от Солнца.

Постепенно из-за выгорания водорода ядро будет уменьшаться в размерах, а вся звезда в целом – увеличиваться. Через 6,4 млрд лет водород в ядре закончится, радиус звезды в этот момент будет больше современного в 1,59 раз. В течение 700 млн лет звезда расширится до 2,3 современных радиусов.

Далее рост температуры приведет к тому, что термоядерные реакции горения водорода запустятся уже не в ядре, а в оболочке звезды. Из-за этого она резко расширится, и ее внешние слои будут достигать современной земной орбиты. Однако к тому моменту светило потеряет значительную часть своей массы (28%), что позволит нашей планете перейти на более отдаленную орбиту. Солнце в этот период своей жизни, который продлится 10 млн лет, будет являться красным гигантом.

После из-за роста температуры в ядре до 100 млн градусов там начнется активная реакция горения гелия – «гелиевая вспышка». Радиус светила сократится до 10 современных радиусов. На выгорание гелия уйдет порядка 110 млн лет, после чего звезда снова расширится и станет красным гигантом, но эта стадия будет длиться уже 20 млн лет.

Из-за пульсаций, связанных с изменениями температуры Солнца, его внешние слои отделятся от ядра и образуют планетарную туманность. Само же ядро превратится в белый карлик – объект, чьи размеры будут сопоставимы размерами Земли, а масса будет равна половине современной солнечной массы. Далее этот карлик, состоящий из углерода и кислорода, будет постепенно остывать. Никаких термоядерных реакций в белом карлике идти не будет, поэтому со временем (за десятки млрд лет) он превратится в черный карлик – остывшую плотную массу вещества. На этом эволюция Солнца завершится.

Орбита и расположение Солнца в галактике Млечный путь

Солнце вместе со всей Солнечной системой вращается относительно центра Млечного пути, в котором располагается огромная черная дыра. Расстояние от нее до нашего светила составляет 26 тыс. св. лет. Один оборот Солнечная система совершает примерно за 225-250 млн лет. Скорость движения звезды относительно центра галактики составляет 225 км/с.

Исследование Солнца

Изначально люди относились к Солнцу как к божеству, дающему людям свет. Древние астрономы полагали, что наше светило – это лишь одна из планет, к которым также относили и Луну. Поэтому в честь него, как и в честь других планет, нередко называли дни недели. И сегодня в английском языке воскресенье носит название «Sunday», что переводится как «день Солнца». В 800 г. до н. э. китайцы впервые обнаружили на Солнце пятна.

Аристарх Самосский в III в. до н. э. первым предположил, что именно Земля вращается вокруг Солнца, а не наоборот. Но лишь во времена Коперника и Галилея эта теория была принята научным сообществом. Тогда же начались исследования Солнца с помощью телескопа. Галилей понял, что солнечные пятна – это часть светила. Изучая их, он понял, что звезда вращается вокруг своей оси, и даже смог определить период обращения.

В 1672 г. Д. Кассини смог достаточно точно рассчитать расстояние до светила. Для этого он определял положение Марса на небосводе в Париже и Кайенне (Южная Америка). Он получил значение в 140 млн км.

В XIX в. физики стали изучать спектр солнечного света. Этот метод позволял определить химический состав звезды. В 1868 г. было обнаружено, что в состав светила входит элемент, до того неизвестный человечеству. Его назвали гелием.

Большой загадкой для ученых оставалась природа энергии, излучаемой Солнцем. Выдвигались ошибочные версии, что звезда нагревается за счет падения на нее метеоритов или за счет гравитационного сжатия. Лишь с открытием ядерных реакций физики смогли предположить, что источник солнечного тепла – это термоядерный синтез.

Дальнейшее изучение Солнца связано с развитием космонавтики. С помощью советских аппаратов «Луна-1» и «Луна-2» в 1959 г. был открыт солнечный ветер.

Интересные факты о Солнце

Для любого объекта, излучающего тепло, можно посчитать отношение мощности к его объему. Оказывается, что удельная мощность Солнца примерно в тысячу раз меньше, чем удельная мощность человеческого организма! Это означает, что огромный объем выделяемого светилом тепла в первую очередь объясняется его гигантскими размерами.

Периодически всплески солнечной активности приводят к геомагнитным бурям. Мощнейшая из них произошла в 1859 г. В результате на Земле перестала работать телеграфная связь, а северное сияние наблюдалось даже над Кубой.

Сейчас общепризнанна теория, что Солнце образовалось из газопылевого облака. Однако откуда появилось само облако? Ученые предполагают, что оно является остатком предыдущих звезд. Химический анализ показывает, что Солнце является звездой уже третьего поколения. Это значит, что вещество, из которого состоит светило, ранее входило в состав двух других звезд, уже прекративших существование.

Хотя большинство планет вращаются вокруг Солнца в плоскости эклиптики, экватор самой звезды не совпадает с этой плоскостью, а наклонен на 7°. Эту аномалию до сих пор не удалось объяснить. Возможно, причиной этого является существование ещё одной планеты в Солнечной системе, чья орбита лежит не в плоскости эклиптики, а под углом к ней. Ряд наблюдений подтверждает существование Девятой планеты, но пока что говорить об ее открытии преждевременно.

Видео

Список использованных источников

Источник

Строение и видимая поверхность Солнца

Что видно на Солнце

Большинство физических параметров звезд не измеряется, а рассчитывается теоретически с помощью компьютеров. Исходными данными для таких вычислений служат лишь некоторые общие характеристики звезды, например ее масса, радиус, а также физические условия, господствующие на ее поверхности: температура, протяженность и плотность атмосферы и тому подобное. Химический состав звезды (в частности, Солнца) определяется спектральным путем. И вот на основании этих данных астрофизик-теоретик создает математическую модель Солнца. Если такая модель соответствует результатам наблюдений, то ее можно считать достаточно хорошим приближением к действительности. А мы, опираясь на такую модель, постараемся представить себе всю экзотику.

Центральная часть Солнца называется его ядром. Вещество внутри солнечного ядра чрезвычайно сжато. Его радиус равен приблизительно 1/4 радиуса Солнца, а объем составляет 1/45 часть (немногим более 2%) от полного объема Солнца. Тем не менее, в ядре светила упакована почти половина солнечной массы. Это стало возможно благодаря очень высокой степени ионизации солнечного вещества. Условия там точно такие, какие нужны для работы термоядерного реактора. Ядро представляет собой управляемую силовую станцию.

Переместившись из центра Солнца примерно на 1/4 его радиуса, мы вступаем зону переноса энергии излучением. Эту самую протяженную область Солнца можно представить себе наподобие стенок ядерного котла, через которые солнечная энергия медленно просачивается наружу. Но чем ближе к поверхности Солнца, тем меньше температура и давление. В результате возникает вихревое перемешивание вещества и перенос энергии совершается преимущественно самим веществом. Такой способ передачи энергии называется конвекцией, а под поверхностный слой Солнца, где она происходит, конвективной зоной. Считается, что ее роль в физике солнечных процессов исключительно велика. Ведь именно здесь зарождаются разнообразные движения солнечного вещества и магнитные поля.

Наконец мы у видимой поверхности Солнца. Поскольку наше Солнце – звезда, раскаленный плазменный шар, у него, в отличие от Земли, Луны и им подобных планет, не может быть настоящей поверхности, понимаемой в полном смысле этого слова. И если мы говорим о поверхности Солнца, то это понятие условное. Видимая светящаяся поверхность Солнца,

Строение Солнца — рядовой звезды Вселенной

1 — протуберанец; 2 — видимая поверхность Солнца. Плотность меньше — 1/1000000 г/см куб, температура 6000 К, давление 1/6 атмосферы; 3 — Конвективная зона. По мере приближения к поверхности Солнца температура быстро уменьшается. В результате происходит конвекция — перемешивание вещества и перенос энергии к поверхности светила самим веществом; 4 — Зона переноса энергии излучением. Она представляет собой как бы стенки ядерного котла, через которые энергия медленно просачивается наружу; 5 — Ядро Солнца — естественный термоядерный реактор, где происходит выделение энергии за счет превращения водорода в гелий. В центре ядра: плотность — 160 г/см куб, температура — 15 млн К, давление — 340 млрд атмосфер, т.е. условия точно такие, какие нужны для работы ядерного реактора; 6 — Фотосфера — из нее исходит большая часть излучаемой Солнцем энергии в видимой области спектра; 7 — Хромосфера — плотность и давление с высотой убывают, а температура возрастает; 8 — Корона — самый верхний слой атмосферы Солнца — состоит из чрезвчайно разреженной плазмы. Она постоянно расширяется в окружающее пространство и переходит в солнечный ветер. Во внутренней короне 1 млн К и выше.

Строение Солнца — рядовой звезды Вселенной

расположенная непосредственно над конвективной зоной, называется фотосферой, что в переводе с греческого означает «сфера света».

Фотосфера – это 300-километровый слой. Именно отсюда приходит к нам солнечное излучение. И когда мы смотрим на Солнце с Земли, то фотосфера является как раз тем слоем, который пронизывает наше зрение. Излучение же из более глубоких слоев к нам уже не доходит, и увидеть их невозможно. Температура в фотосфере растет с глубиной и в среднем оценивается в 5800 К. Из фотосферы исходит основная часть оптического излучения Солнца. Здесь средняя плотность газа составляет менее 1/1000 плотности воздуха, которым мы дышим, а температура по мере приближения к внешнему краю фотосферы уменьшается до 4800 К. Водород при таких условиях сохраняется почти полностью в нейтральном состоянии.

Астрофизики за поверхность великого светила принимают основание фотосферы. Саму же фотосферу они считают самым нижним слоем солнечной атмосферы. Над ним расположено еще два слоя, которые образуют внешние слои солнечной атмосферы, — хромосфера и корона. И хотя резких границ между этими тремя слоями не существует, познакомимся с их главными отличительными признаками. Желто-белый свет фотосферы обладает непрерывным спектром, то есть имеет вид сплошной радужной полоски с постепенным переходом цветов от красного к фиолетовому. Но в нижних слоях разреженной хромосферы, в области так называемого температурного минимума, где температура опускается до 4200 К, солнечный свет испытывает поглощение, благодаря которому в спектре Солнца образуются узкие линии поглощения. Их называют фраунгоферовыми линиями, по имени немецкого оптика Йозефа Фраунгофера, который в 1816 году тщательно измерил длины волн 754 линий.

На сегодняшний день в спектре Солнца зарегистрировано свыше 26 тыс темных линий различной интенсивности, возникающих из-за поглощения света «холодными атомами». И поскольку каждый химический элемент имеет свой характерный набор линий поглощения, это дает возможность определить его присутствие во внешних слоях солнечной атмосферы. Химический состав атмосферы Солнца подобен составу большинства звезд, образовавшихся в течение нескольких последних миллиардов лет (их называют звездами второго поколения). По сравнению со старыми небесными светилами (звездами первого поколения) они содержат в десятки раз больше тяжелых элементов, то есть элементов, которые тяжелее гелия. Астрофизики считают, что тяжелые элементы впервые появились в результате ядерных реакций, протекавших при взрывах звезд, а возможно, даже во время взрывов галактик. В период образования Солнца межзвездная среда уже была достаточно хорошо обогащена тяжелыми элементами (само Солнце еще не производит элементы тяжелее гелия). Но наша Земля и другие планеты конденсировались, видимо, из того же газопылевого облака, что и Солнце. Поэтому не исключено, что, изучая химический состав нашего древнего светила, мы изучаем также состав первичного протопланетного вещества.

Поскольку температура в солнечной атмосфере меняется с высотой, на разных уровнях линии поглощения создаются атомами различных химических элементов. Это позволяет изучать различные атмосферные слои великого светила и определять их протяженность. Над фотосферой расположен более разреженный слой атмосферы Солнца, который называется хромосферой, что означает «окрашенная сфера». Ее яркость во много раз меньше яркости фотосферы, поэтому хромосфера бывает видна только в короткие минуты полных солнечных затмений, как розовое кольцо вокруг темного диска Луны. Красноватый цвет хромосфере придает излучение водорода. У этого газа наиболее интенсивная спектральная линия находится в красной области спектра, а водорода в хромосфере особенного много.

По спектрам, полученным во время солнечных затмений, видно, что красная линия водорода исчезает на высоте примерно 12 тыс. км над фотосферой, а линии ионизированного кальция перестают быть видимыми на высоте 14 тыс. км. Вот эта высота и рассматривается как верхняя граница хромосферы. По мере подъема растет температура, достигая в верхних слоях 50 000 К. С возрастанием температуры усиливается ионизация водорода, а затем и гелия.

Повышение температуры в хромосфере вполне объяснимо. Как известно, плотность солнечной атмосферы быстро убывает с высотой, а разреженная среда излучает энергии меньше, чем плотная. Поэтому поступающая от Солнца энергия разогревает верхнюю хромосферу и лежащую над ней корону. В настоящее время гелиофизики с помощью специальных приборов. Наблюдают хромосферу не только во время солнечных затмений, но и в любой ясный день. Во время полных солнечных затмений можно увидеть самую внешнюю оболочку солнечной атмосферы – корону – сияние, простирающееся вокруг затмившегося Солнца. Общая яркость короны составляет примерно одну миллионную долю света Солнца или половину света полной Луны.

Солнечная корона представляет собой сильно разреженную плазму с температурой, близкой к 2 млн. К. Плотность коронального вещества в сотни миллиардов раз меньше плотности воздуха у поверхности Земли. В подобных условиях атомы химических элементов не могут находиться в нейтральном состоянии: их скорость настолько велика, что при взаимных столкновениях они теряют практически все свои электроны и многократно ионизируются. Вот поэтому солнечная корона состоит в основном из протонов, ядер гелия и электронов.

Исключительно высокая температура короны приводит к тому, что ее вещество становиться мощным источником ультрафиолетового и рентгеновского излучения. Для наблюдений в этих диапазонах электромагнитного спектра используются, как известно специальные ультрафиолетовые и рентгеновские телескопы, установленные на космических аппаратах и орбитальных космических станциях. С помощью радиометодов (солнечная корона интенсивно излучает дециметровые и метровые радиоволны) корональные лучи просматриваются до расстояния в 30 солнечных радиусов от края солнечного диска. С удалением от Солнца плотность короны очень медленно уменьшается, и самый верхний ее слой вытекает в космическое пространство. Так образуется солнечный ветер.

Только за счет улетучивания карпускул масса Солнца ежесекундно уменьшается не менее чем на 400 тыс. т. Солнечный ветер обдувает все пространство нашей планетной системы. Его начальная скорость достигает более 1000 км/с, но потом она медленно уменьшается. У орбиты Земли средняя скорость ветра около 400 км/с. Он сметает на своем пути все газы, выделяемые планетами и кометами, мельчайшие метеоритные пылинки и даже частицы галактических космических лучей малых энергий, унося весь этот «мусор» к окраинам планетной системы. Образно говоря, мы как бы купаемся в кроне светила… (Масса Солнца составляет 2*10+27 т. За счет термоядерного синтеза и солнечного ветра в течении года она уменьшается на 150-200 триллионов т. 1% своей массы Солнце потеряет за 100 млрд. лет)

И на Солнце бывают ПЯТНА

Солнце – единственная из всех звезд, которую мы видим не как сверкающую точку, а как сияющий диск. Благодаря этому астрономы имеют возможность изучать различные детали на его поверхности. Что же такое солнечное пятно? Пятна на Солнце – далеко не устойчивые образования. Они возникают, развиваются и исчезают, а взамен исчезнувших появляются новые. Изредка образуются пятна-исполины. Так, в апреле 1947 года на Солнце наблюдалось сложное пятно: его площадь превышала площадь поверхности земного шара в 350 раз! Оно было хорошо видно невооруженным глазом. Такие большие пятна на Солнце замечались еще в древности. В Никоновской летописи за 1365 год можно найти упоминание о том, как наши предки на Руси видели на Солнце сквозь дым лесных пожарищ «темные пятна, аки гвозди».

Появляясь на восточном краю Солнца, перемещаясь по его диску слева направо и исчезая за западным краем дневного светила, солнечные пятна дают прекрасную возможность не только убедиться во вращении Солнца вокруг оси, но и определить период этого вращения (более точно он определяется по доплеровскому смещению спектральных линий). Измерения показали: период вращения Солнца на экваторе составляет 25,38 суток (по отношению к Земле – 27,3 суток), в средних широтах – 27 суток и у полюсов около 35 суток. Таким образом, на экваторе Солнце вращается быстрее, чем у полюсов. Зональное вращение светила указывает на его газообразное состояние.

Центральная часть большого пятна в телескоп выглядит совсем черной. Но пятна только кажутся темными, поскольку мы наблюдаем их на фоне яркой фотосферы. Если бы пятно можно было бы рассмотреть отдельно, то мы бы увидели, что оно светится сильнее, чем электрическая дуга, так как его температура около 4500 К, то есть на 1500 К меньше температуры фотосферы. Солнечное пятно средних размеров на фоне ночного неба казалось бы таким же ярким, как Луна в фазе ночного неба казалась бы таким же ярким, как Луна в фазе полнолуния.

Обычно темное ядро большого пятна бывает окружено серой полутенью, состоящей из светлых радиальных волокон, расположенных на темном фоне. Вся эта структура хорошо видна даже в небольшой телескоп. Еще в 1774 году шотландский астроном Александр Вилсон, наблюдая пятна у края солнечного диска, сделал вывод, что большие пятна являются углублениями в фотосфере. В дальнейшем расчеты показали, что «дно» пятна лежит ниже уровня фотосферы в среднем на 700 км. Словом, пятна – гигантские воронки в фотосфере.

Вокруг пятен в лучах водорода отчетливо видно вихревое строение хромосферы. Эта вихревая структура указывает на существование бурных движений газа вокруг пятна. Такой же рисунок создают железные опилки. Подобное сходство заставило американского астронома Джорджа Хейла (1868-1938) заподозрить, что солнечные пятна – огромные магниты. Хейлу было известно, что спектральные линии расщепляются, если излучающий газ находится в магнитном поле (так называемое зеемановское расщепление). И когда астроном сравнил величину расщепления, наблюдавшегося в спектре солнечных пятен, с результатами лабораторных опытов с газом в магнитном поле, то обнаружил, что магнитные поля пятен в тысячи раз превышают индукцию земного магнитного поля. Напряженность магнитного поля у поверхности Земли около 0,5 эрстеда. А в солнечных пятнах она всегда больше 1500 эрстед – иногда достигает 5000 эрстед!

Открытие магнитной природы солнечных пятен – одно из важнейших открытий в астрофизике начала ХХ века. Впервые было установлено, что магнитными свойствами обладает не только наша Земля, но и другие небесные тела. Солнце в этом отношении вышло на первый план. Только наша планета имеет постоянное дипольное магнитное поле с двумя полюсами, а магнитное поле Солнца отличается сложной структурой, и мало того, оно «переворачивается», то есть изменяет свой знак, или полярность. И хотя солнечные пятна являются весьма сильными магнитами, общее магнитное поле Солнца редко превышает 1 эрстед, что в несколько раз больше среднего поля Земли.

Сильное магнитное поле пятен как раз и есть причина их низкой температуры. Ведь поле создает изолирующий слой под пятном и благодаря этому резко замедляет процесс конвекции – уменьшает приток энергии из глубин светила. Большие пятна предпочитают появляться парами. Каждая такая пара располагается почти параллельно солнечному экватору. Ведущее, или головное, пятно движется обычно немного быстрее, чем замыкающее пятно. Поэтому в течение первых нескольких дней пятна удаляются друг от друга. Одновременно размер пятен увеличивается. Часто в промежутке между двумя основными пятнами появляется «цепочка» маленьких пятен. После того как это произойдет, хвостовое пятно может претерпеть быстрый распад и исчезнуть. Остается только ведущее пятно, которое уменьшается медленнее и живет в среднем в 4 раза дольше своего компаньона. Подобный процесс развития характерен почти для каждой большой группы солнечных пятен. Большинство пятен живет всего несколько дней (даже часов), а другие наблюдаются несколько месяцев. Пятна, поперечник которых достигает 40-50 тыс. км, можно увидеть через светофильтр (густое закопченное стекло) невооруженным глазом.

Огненные фонтаны на Солнце

Во время полного солнечного затмения во внутренних слоях короны можно увидеть гигантские языки пламени, как бы вырывающихся их хромосферы. Это – протуберанцы. Некоторые из них похожи на огромные дуги-арки, возвышающиеся над Солнцем, другие напоминают огненные фонтаны. И хотя они проникают далеко в корону, газ протуберанцев подобен газу хромосферы: его свет состоит главным образом из излучений водорода, а в спектре водорода особенно интенсивна красная линия. Благодаря этому протуберанцы, так же как и хромосфера, имеют характерный красный цвет. В летописи истории Древней Руси первый протуберанец отмечен 1185 годом. Он наблюдался во время полного солнечного затмения, которое произошло во время похода князя Игоря на половцев.

Протуберанцы представляют собой очень большие и сложные по форме облака газа (плазмы) в короне Солнца. Средняя температура спокойных протуберанцев около 10 000 К. Такие протуберанцы конденсируются в нижних слоях солнечной короны и могут подолгу красоваться над хромосферой, медленно изменяя свой след. Оказалось, что в жизни протуберанцев, как в жизни солнечных пятен, очень важную роль играет магнитное поле. Оно удерживает вещество протуберанца в короне, определяет его форму. Спокойный протуберанец как бы висит на вершине арок магнитных силовых линий, прогнувшихся под его тяжестью. Ионизованная плазма протуберанца медленно стекает вдоль магнитных силовых линий в хромосферу, и каким-то образом протуберанец пополняется новым веществом, так как без подвода новых порций газа он не смог бы долго существовать.

Огненные фонтаны — протуберанцы на Солнц

Кроме спокойных протуберанцев, наблюдаются еще эруптивные протуберанцы, по виду напоминающие огромные фонтаны. Движение сгустков вещества в них происходит очень быстро, и так же быстро изменяются его очертания. Время развития такого протуберанца – от нескольких минут до получаса. Протуберанцы фотографируют во время полной фазы солнечного затмения на краю Солнца, когда они четко вырисовываются на фоне темного неба. Но их можно видеть и в проекции на солнечный диск. В этом случае вещество протуберанцев поглощает идущее снизу излучение, и поэтому на спектрогелиограммах Солнца они видны как длинные темные волокна. Спокойные протуберанцы встречаются в любых местах солнечной поверхности, а эруптивные зарождаются вблизи солнечных пятен — вдоль границы раздела полярности магнитных полей.

В настоящее время астрономы имеют возможность наблюдать протуберанцы вне солнечных затмений. Для этого служит специальный телескоп – внезатменный коронограф, изобретенный в 1931 году французским астроном Бернаром Лио (1897-1952). В этом инструменте яркое Солнце затмевается искусственной «луной» — металлическим диском, и благодаря этому бывают видны розово-красные протуберанцы. С помощью коронографа астрономы фотографируют протуберанцы в лучах яркой красной водородной линии, а также наблюдают Солнечную корону. Успех таких наблюдений во многом зависит от степени прозрачности земной атмосферы, поэтому коронографы устанавливают, как правило, в высокогорных астрономических обсерваториях. Крупнейший в мире отечественный внезатменный коронограф с объективом диаметром 53 см находится на Горной астрономической станции в 23 км от Кисловодска. Она построена в послевоенные годы как южный филиал Пулковской обсерватории специально для наблюдений Солнца. И вот уже на протяжении половины столетия на Кисловодской Горной станции каждый благоприятный день ведутся детальные исследования солнечной короны, протуберанцев и хромосферы.

Что такое солнечные вспышки?

Источник