Навигация
Строение и атмосфера Солнца. Солнечный ветер
Из чего состоит Солнце, почему мы не видим солнечную корону и что такое солнечный ветер
Солнце языком цифр
Солнце, несмотря на то, что числится по классификации звезд “желтым карликом” так велико, что нам даже сложно представить. Когда мы говорим, что масса Юпитера – это 318 масс Земли, это кажется невероятным. Но когда мы узнаем, что 99,8% массы всего вещества Солнечной системы приходится на Солнце – это просто выходит за рамки понимания.
За прошедшие годы мы немало узнали о том как устроена “наша” звезда. Хотя человечество не изобрело (и вряд ли когда-то изобретет) исследовательский зонд, способный физически приблизиться к Солнцу и взять пробы его вещества, мы итак неплохо осведомлены об его составе.
Сравнение размеров Солнца с размерами планет Солнечной системы
Знание физики и возможности спектрального анализа дают нам возможность точно сказать, из чего состоит Солнце: 70% от его массы составляет водород, 27% – гелий, другие элементы (углерод, кислород, азот, железо, магний и другие) – 2,5%.
Однако, только этой сухой статистикой наши знания, к счастью, не ограничиваются.
Что находится внутри Солнца
Согласно современным расчетам температура в недрах Солнца достигает 15 – 20 миллионам градусов Цельсия, плотность вещества звезды достигает 1,5 грамма на кубический сантиметр.
Источник энергии Солнца – постоянно идущая ядерная реакция, протекающая глубоко под поверхностью, благодаря которой и поддерживается высокая температуру светила. Глубоко под поверхностью Солнца водород превращается в гелий в следствии ядерной реакции с сопутствующим выделением энергии.
“Зона ядерного синтеза” Солнца называется солнечным ядром и имеет радиус примерно 150—175 тыс. км (до 25 % радиуса Солнца). Плотность вещества в солнечном ядре в 150 раз превышает плотность воды и почти в 7 раз – плотность самого плотного вещества на Земле: осмия.
Ученым известны два вида термоядерных реакций протекающих внутри звезд: водородный цикл и углеродный цикл. На Солнце преимущественно протекает водородный цикл, который можно разбить на три этапа:
- ядра водорода превращаются в ядра дейтерия (изотоп водорода)
- ядра водорода превращаются в ядра неустойчивого изотопа гелия
- продукты первой и второй реакции связываются с образованием устойчивого изотопа гелия (Гелий-4).
Каждую секунду в излучение превращаются 4,26 миллиона тонн вещества звезды, однако по сравнению с весом Солнца, даже это невероятное значение так мало, что им можно пренебречь.
Внутреннее строение недр Солнца: ядро, зона конвекции, фото и хромосфера, солнечная корона
Выход тепла из недр Солнца совершается путем поглощения электромагнитного излучения, приходящего снизу и его дальнейшего переизлучения.
Ближе к поверхности солнца излучаемая из недр энергия переносится преимущественно в зоне конвекции Солнца с помощью процесса конвекции – перемешивании вещества (теплые потоки вещества поднимаются ближе к поверхности, холодные же опускаются).
Зона конвекции залегает на глубине около 10% солнечного диаметра и доходит почти до поверхности звезды.
Атмосфера Солнца
У Солнца нет поверхности. Плотность короны Солнца – в 100 000 000 000 раз меньше плотности воздуха, и вещество короны постепенно истекает в окружающее пространство. За поверхность Солнца принимается слой, расположенный в 10 раз ближе к центру Солнца, чем верхние области короны. Здесь заканчивается зона конвенкции.
Выше зоны конвекции начинается атмосфера Солнца, в ней перенос энергии снова происходит с помощью излучения.
Фотосферой называют нижний слой солнечной атмосферы – видимую поверхность Солнца. Её толщина соответствует оптической толщине приблизительно в 2/3 единицы, а в абсолютных величинах фотосфера достигает толщины 100-400 км. Именно фотосфера является источником видимого излучения Солнца, температура составляет от 6600 К (в начале) до 4400 К (у верхнего края фотосферы).
На самом деле Солнце выглядит как идеальный круг с четкими границами только потому, что на границе фотосферы его яркость падает в 100 раз за менее чем одну секунду дуги. За счет этого края Солнечного диска заметно менее ярки нежели центр, их яркость всего 20% от яркости центра диска.
Хромосфера – второй атмосферный слой Солнца, внешняя оболочка звезды, толщиной около 2000 км, окружающая фотосферу. Температура хромосферы увеличивается с высотой от 4000 до 20 000 К. Наблюдая Солнце с Земли, мы не видим хромосферу из-за малой плотности. Её можно наблюдать только во время солнечных затмений – интенсивное красное свечение вокруг краев солнечного диска, это и есть хромосфера звезды.
Солнечная корона – последняя внешняя оболочка солнечной атмосферы. Корона состоит из протуберанцев и энергетических извержений, исходящих и извергающихся на несколько сотен тысяч и даже более миллиона километров в пространство, образуя солнечный ветер. Средняя корональная температура составляет до 2 млн К, но может доходить и до 20 млн К. Однако, как и в случае с хромосферой – с земли солнечная корона видна только во время затмений. Слишком малая плотность вещества солнечной короны не позволяет наблюдать её в обычных условиях.
Солнечная корона во всей красе видна только по время солнечных затмений
Солнечный ветер
Солнечный ветер – поток заряженных частиц (протонов и электронов), испускаемых нагретыми внешними слоями атмосферы звезды, который простирается до границ нашей планетарной системы. Светило ежесекундно теряет миллионы тонн своей массы, из-за этого явления.
Около орбиты планеты Земля скорость частиц солнечного ветра достигает 400 километров в секунду (они перемещаются по нашей звездной системе со сверхзвуковой скоростью), а плотность солнечного ветра от нескольких до нескольких десятков ионизированных частиц в кубическом сантиметре.
Именно солнечный ветер нещадно “треплет” атмосферу планет, “выдувая” содержащиеся в ней газы в открытый космос, он же во многом ответственен за “хвосты” комет. Противостоять солнечному ветру Земле позволяет магнитное поле планеты, которое служит невидимой защитой от солнечного ветра и препятствует оттоку атомов атмосферы в открытый космос. При столкновении Солнечного ветра с магнитным полем планеты происходит оптическое явление, которое на Земле мы называем – полярное сияние, сопровождаемое магнитными бурями.
Впрочем, неоспорима и польза солнечного ветра – именно он “сдувает” из Солнечной системы и космическую радиацию галактического происхождения – а следовательно оберегает нашу звездную систему от внешних, галактических излучений.
Глядя на красоту полярных сияний, трудно поверить, что эти всполохи – видимый признак солнечного ветра и магнитосферы Земли
Влияние потоков солнечного ветра на Землю, а также природа самого ветра исследуются уже более 50 лет, с тех пор, как американский ученый Юджин Паркер предсказал существование ранее неизвестных потоков солнечного вещества и дал им название солнечного ветра. Солнечный ветер состоит из электронов, протонов, ядер гелия и более тяжелых элементов. С ним связано магнитное поле сложной конфигурации, задаваемой вращением Солнца и удаляющимися от него потоками плазмы. Солнечный ветер заполняет все межпланетное пространство, взаимодействует с магнитосферами планет и распространяется в сто раз дальше земной орбиты.
Исследование солнечного ветра ведется всеми доступными науке методами, но почему его скорость увеличивается над поверхностью Солнца до сверхзвуковых значений, остается неясным.
Невыясненными остаются и причины разогрева солнечной короны, приводящие к ее непрерывному расширению. Температура короны очень высока, а температура гораздо более глубокого слоя, находящегося в теле Солнца, – фотосферы – составляет всего 6000 град. К.
Одним из существенных источников энергии, разогревающим корону, является диссипация, разрушение волн, приходящих из подфотосферного, конвективного слоя Солнца. Это слой, в котором механизм лучистого переноса энергии от ядра Солнца заменяется механизмом конвекции. В этом слое потоки плазмы подымаются, опускаются, опять подымаются и так далее. Потоки плазмы – это потоки зарядов, вокруг каждого из них возникает магнитное поле. Всего за несколько минут одни струи плазмы сменяются другими. Происходящие физические явления описываются наукой магнитогидродинамикой. В конвективном слое Солнца возникают различные виды волн, в том числе и разные типы магнитогидродинамических волн: альвеновские, магнитный звук и другие. Проходя через фотосферу в более высокие слои Солнца, волны попадают в условия все уменьшающейся плотности (плотность короны в миллиарды раз меньше плотности фотосферы). Амплитуды колебаний так быстро растут с высотой, что колебания становятся неустойчивыми, рассыпаются, а энергия колебаний переходит в хаотическое тепловое движение частиц короны.
Ю. Паркер считал, что уменьшение притяжения с высотой в короне действует на ускорение вещества, истекающего из короны. Эти объяснения недостаточны. Должен существовать еще какой-то механизм ускорения плазмы.
Не менее десяти космических обсерваторий участвуют в исследованиях Солнца, в результате которых накоплен огромный наблюдательный материал. Но причины такого разогрева короны и ускорения солнечного ветра по прежнему остаются загадкой.
Магнитные облака
Магнитные облака – это области солнечного ветра с повышенной величиной магнитного поля, которые возникают в межпланетном пространстве после эрупции протуберанцев, а также после солнечных вспышек. Причина возникновения магнитных облаков в том, что корональные выбросы массы уносят вместе с собой вмороженное магнитное поле (т.е. буквально переносят магнитное поле с той же напряженностью, что было в источнике), которое таким образом попадает в межпланетное пространство и может достигать Земли, вызывая магнитные бури и возмущения магнитосферы.
Магнитные облака находят в солнечном ветре с помощью космических аппаратов, которые могут прямо измерить характеристики солнечного ветра (в том числе величину и направление магнитного поля). Их исследование играет важную роль для решения проблемы раннего прогнозирования магнитных бурь.