Внутреннее строение Солнца. Строение атмосферы: фотосфера, хромосфера, корона

Спектральный анализ солнечных лучей показал, что больше всего в нашей звезде водорода (73% от массы звезды) и гелия (25%). На остальные элементы (железо, кислород, никель, азот, кремний, сера, углерод, магний, неон, хром, кальций, натрий) приходится всего 2%. Все вещества, обнаруженные на Солнце, есть и на Земле, и на других планетах, что говорит об их едином происхождении. Средняя плотность вещества Солнца - 1,4 г/см3.

Как изучают Солнце

Солнце - это « » с множеством слоев, имеющих разный состав и плотность, в них проходят разные процессы. В привычном человеческому глазу спектре наблюдение звезды невозможно, однако в настоящее время созданы , телескопы, радиотелескопы и прочие приборы, фиксирующие ультрафиолетовое, инфракрасное, рентгеновское излучения Солнца. С Земли наиболее эффективным является наблюдение во время солнечного затмения. В этот короткий период астрономы во всем мире изучают корону, протуберанцы, хромосферу и различные явления, происходящие на единственной доступной для такого подробного изучения звезде.

Структура Солнца

Корона - внешняя оболочка Солнца. У нее очень низкая плотность, из-за этого ее видно только во время затмения. Толщина внешней атмосферы неравномерна, поэтому время от времени в ней появляются дыры. Через эти дыры в космос со скоростью 300-1200 м/с устремляется солнечный ветер - мощный поток энергии, который на земле становится причиной северных сияний и магнитных бурь.

Хромосфера - слой газов, достигающий толщины 16 тыс. км. В ней происходит конвекция раскаленных газов, которые, от поверхности нижнего слоя (фотосферы), вновь опускаются назад. Именно они «прожигают» корону и образуют потоки солнечного ветра длиной до 150 тыс. км.

Фотосфера - это плотный непрозрачный слой толщиной 500-1 500 км, в котором происходят сильнейшие огненные бури диаметром до 1 тыс. км. Температура газов фотосферы - 6 000 оС. Они поглощают энергию из нижележащего слоя и выделяют ее в виде тепла и света. Структура фотосферы напоминает гранулы. Разрывы в слое воспринимаются, как пятна на Солнце.

Конвективная зона толщиной 125-200 тыс. км - солнечная оболочка, в которой газы постоянно обмениваются энергией с радиационной зоной, нагреваясь, поднимаются к фотосфере и, охлаждаясь, вновь спускаются вниз за новой порцией энергии.

Радиационная зона имеет толщину 500 тыс. км и очень высокую плотность. Здесь вещество подвергается бомбардировке гамма-лучами, которые преобразуются в менее радиоактивные ультрафиолетовые (UV) и рентгеновские (X) лучи.

Кора, или ядро, - солнечный «котел», где постоянно происходят протон-протонные термоядерные реакции, благодаря которым звезда и получает энергию. Атомы водорода превращаются в гелий при температуре 14 х 10 в оС. Здесь титаническое давление - триллион кг на каждый кубический см. Ежесекундно здесь превращается 4,26 млн тонн водорода в гелий.

Протуберанцы

Поверхность Солнца, которую мы видим, известна как фотосфера. Это область, где свет из ядра, наконец достигает поверхности. Температура фотосферы составляет около 6000 К, и она светится белым светом.

Прямо над фотосферой, атмосфера простирается на несколько сотен тысяч километров. Давайте подробнее рассмотрим строение атмосферы Солнца.

Первый слой в атмосфере имеет минимальную температуру, и находится на расстоянии около 500 км над поверхностью фотосферы, с температурой около 4000 К. Для звезды это достаточно прохладно.

Хромосфера

Следующий слой известен как хромосфера. Она находится на расстоянии всего лишь около 10.000 км от поверхности. В верхней части хромосферы, температура может достигать 20000 К. Хромосфера невидима без специального оборудования, в котором используются узкополосные оптические фильтры. Гигантские солнечные протуберанцы могут подниматься в хромосфере на высоту 150.000 км.

Над хромосферой располагается переходный слой. Ниже этого слоя, гравитация является доминирующей силой. Над переходной областью, температура поднимается быстро, потому что гелий становится полностью ионизованным.

Солнечная корона

Следующий слой — корона, и она распространяется от Солнца на миллионы километров в космосе. Вы можете увидеть корону во время полного затмения, когда диск светила закрыт Луной. Температура короны примерно в 200 раз горячее поверхности.

В то время, как температура фотосферы всего 6000 K, у короны она может достигать 1-3 млн. градусов Кельвина. Ученые до сих пор до конца не знают, почему она настолько высока.

Гелиосфера

Верхняя часть атмосферы называется гелиосфера. Это пузырь пространства, заполненный солнечным ветром, он простирается примерно на 20 астрономических единиц (1 а.е. это расстояние от Земли до Солнца). В конечном итоге, гелиосфера постепенно переходит в межзвездную среду.

Солнце - центральное тело Солнечной системы - представляет собой очень горячий плазменный шар. Солнце - ближайшая к земле звезда. Свет от него доходит до нас за 8 1/3 мин. Солнце решающим образом повлияло на образование всех тел Солнечной системы и создало те условия, которые привели к возникновению и развитию на Земле жизни.

Радиус Солнца в 109 раз, а объем примерно в 1 300 000 раз больше соответственно радиуса и объема Земли. Велика и масса Солнца. Она примерно в 330 000 раз больше массы Земли и почти в 750 раз больше суммарной массы движущихся вокруг него планет.

Солнце, вероятно, возникло вместе с другими телами Солнечной системы из газопылевой туманности. Примерно 5 млрд. ле6т назад. Сначала вещество Солнца сильно разогревалось из-за гравитационного сжатия, но вскоре температура и давление в недрах настолько увеличились, что самопроизвольно начали происходить ядерные реакции. В результате этого очень сильно поднялась температура в центре Солнца, а давление в его недрах возросло настолько, что смогло уравновесить силу тяжести и остановить гравитационное сжатие. Так возникла современная структура Солнца. Эта структура поддерживается происходящим в его недрах медленным превращением водорода в гелий. За 5 млрд. лет существования Солнца уже около половины водорода в его центральной области превратилось в гелий. В результате этого процесса выделяется то количество энергии, которое Солнце излучает в мировое пространство.

Мощность излучения Солнца очень велика: она равна 3,8?10 20 МВт. На Землю попадает ничтожная часть солнечной энергии, составляющая около половины миллиардной доли. Она поддерживает в газообразном состоянии земную атмосферу, постоянно нагревает сушу и водоемы, дает энергию ветрам и водопадам, обеспечивает жизнедеятельность животных и растений. Часть солнечной энергии запасена в недрах Земли в виде каменного угля, нефти и других полезных ископаемых.

Солнце представляет собой сферически симметричное тело, находящееся в равновесии. Всюду на одинаковых расстояниях от центра этого шара физические условия одинаковы, но они заметно меняются по мере приближения к центру. Плотность и давление быстро нарастают вглубь, где газ сильнее сжат давлением выше лежащих слоев. Следовательно, температура также растет по мере приближения к центру. В зависимости от изменения физических условий Солнце можно разделить на несколько концентрических слоев, постепенно переходящих друг в друга.

В центре Солнца температура составляет 15 млн. градусов, а давление превышает сотни миллиардов атмосфер. Газ сжат здесь до плотности около 1,5х10 5 кг/м 3 . Почти вся энергия Солнца генерирует в центральной области с радиусом примерно в 1/3 солнечного. Через слои, окружающие центральную часть, эта энергия передается наружу. На протяжении последней трети радиуса находится конвективная зона. Причина возникновения перемешивания (конвекция) в наружных слоях Солнца та же, что и в кипящем чайнике: количество энергии, поступающее от нагревателя, гораздо больше того, которое отводится теплопроводностью. Поэтому вещество вынужденно приходит в движение и начинает само переносить тепло.

Слои Солнца фактически ненаблюдаемы. Об их существовании известно либо из теоретических расчетов, либо на основании косвенных данных. Над конвективной зоной располагаются непосредственно наблюдаемые слои Солнца, называемые его атмосферой. Они лучше изучены, так как об их свойствах можно судить из наблюдений.

Внутреннее строение Солнца слоистое, или оболочечное, оно дифференцировано на сферы, или области. В центре находится ядро, затем область лучевого переноса энергии , далее конвективная зона и, наконец, атмосфера . К ней ряд исследователей относят три внешние области: фотосферу, хромосферу и корону . Правда, другие астрономы к солнечной атмосфере относят только хромосферу и корону.

Ядро - центральная область Солнца со сверхвысоким давлением и температурой, обеспечивающих течение ядерных реакций. Они выделяют огромное количество электромагнитной энергии в предельно коротких диапазонах волн.

Область лучевого переноса энергии находится над ядром. Она образована практически неподвижным и невидимым сверхвысокотемпературным газом. Передача через нее энергии, генерируемой в ядре, к внешним сферам Солнца осуществляется лучевым способом, без перемещения газа. Этот процесс надо представлять себе примерно так. Из ядра в область лучевого переноса энергия поступает в предельно коротковолновых диапазонах - гамма излучения, а уходит в более длинноволновом рентгеновском, что связано с понижением температуры газа к периферической зоне.

Конвективная область располагается над предыдущей. Она образована также невидимым раскаленным газом, находящимся в состоянии конвективного перемешивания. Оно обусловлено положением области между двумя средами, резко различающимися по господствующим в них давлению и температуре. Перенос тепла из солнечных недр к поверхности происходит в результате локальных поднятий сильно нагретых масс воздуха, находящихся под высоким давлением, к периферии светила, где температура газа меньше и где начинается световой диапазон излучения Солнца. Толщина конвективной области оценивается приблизительно в 1/10 часть солнечного радиуса.

Чтобы познакомиться с внутренним строением Солнца, совершим сейчас воображаемое путешествие из центра светила к его поверхности. Но как мы будем определять температуру и плотность солнечного шара на различных глубинах? Как сможем узнать, какие процессы совершаются внутри Солнца?

Оказывается, большинство физических параметров звезд (наше Солнце тоже звезда!) не измеряются, а рассчитываются теоретически с помощью компьютеров. Исходными 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 создаст 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 глубин вели кого светила.

Центральная часть Солнца называется его ядром. Вещество внутри солнечного ядра чрезвычайно сжато. Его радиус равен примерно 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 гигантскую управляемую силовую станцию, где рождается солнечная энергия.

Переместившись из центра Солнца примерно на 1/4 его радиуса, мы вступаем в так называемую зону переноса энергии излучением. Эту самую протяженную внутреннюю 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 подповерхностный слой Солнца, где она происходит,— конвективной зоной. Исследователи Солнца считают, 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, Марса 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, 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 (видимого) 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 (внутренним) 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 Иозефа Фрау и гофера, который в 1816 году тщательно измерил длины волн 754 линии.

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 паша Земля и другие планеты конденсировались, видимо, из того же газопылевого облака, что и Солнце. Поэтому не исключено, что, изучая химический состав нашего дневного 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 слог! 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 — На— находится в красной области спектра, а водорода в хромосфере особенно много.

По спектрам, полученным во время солнечных затмений, видно, что красная линия водорода исчезает на высоте примерно 12 тыс. км над фотосферой, а липни ионизованного 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 хромосферы 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 — нежное жемчужно-серебристое 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 ионизуются. Вот почему солнечная корона состоит в основном из протонов (ядер атомов водорода), ядер гелия и свободных электронов.

Исключительно высокая температура короны приводит к тому, что ее вещество становится мощным источником ультрафиолетового и рентгеновского излучений. Для наблюдений в этих диапазонах электромагнитного спектра используются, как известно, специальные ультрафиолетовые и рентгеновские телескопы, установленные на космических аппаратах и орбитальных научных станциях.

С помощью радиометодов (солнечная корона интенсивно излучает дециметровые и метровые радиоволны) корональные лучи «просматриваются» до расстояний 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 солнечным ветер.

Только за счет улетучивания корпускул масса Солнца ежесекундно уменьшается не менее чем на 400 тыс. т.

Солнечный ветер обдувает все пространство нашей планетной системы. К го начальная скорость достигает более 1000 км/с, но потом она медленно уменьшается. У орбиты Земли средняя скорость ветра около 400 км/с. Ом сметает па своем пути все газы, выделяемые планетами и кометами, мельчайшие метеорные пылинки и даже частицы галактических космических лучей малых энергий, унося весь этот «мусор» к окраинам планетной системы. Образно говоря, мы как бы купаемся в короне великого светила...

Ближайшая к нам звезда – это конечно Солнце. Расстояние от Земли до него по космическим параметрам совсем небольшое: от Солнца до Земли солнечный свет идет всего лишь 8 минут.

Солнце – это не обычный желтый карлик, как считали ранее. Это центральное тело солнечной системы, возле которой вертятся планеты, с большим количеством тяжелых элементов. Это звезда, образовавшаяся после нескольких взрывов сверхновых, около которой сформировалась планетная система. За счет расположения, близкого к идеальным условиям, на третьей планете Земля возникла жизнь. Возраст Солнца насчитывает уже пять миллиардов лет. Но давайте разберемся, почему же оно светит? Какое строение Солнца, и каковы его характеристики? Что ждет его в будущем? Насколько значительное влияние оно оказывает на Землю и ее обитателей? Солнце – это звезда, вокруг которой вращаются все 9 планет солнечной системы, в том числе и наша. 1 а.е. (астрономическая единица) = 150 млн. км – таким же является и среднее расстояние от Земли до Солнца. В Солнечную систему входят девять больших планет, около сотни спутников, множество комет, десятки тысяч астероидов (малых планет), метеорные тела и межпланетные газ и пыл. В центре всего этого и находится наше Солнце.

Солнце светит уже миллионы лет, что подтверждают современные биологические исследования, полученные из остатков сине-зелено-синих водорослей. Изменись температура поверхности Солнца хотя бы на 10 %, и на Земле, погибло бы все живое. Поэтому хорошо, что наша звезда равномерно излучает энергию, необходимую для процветания человечества и других существ на Земле. В религиях и мифах народов мира, Солнце постоянно занимало главное место. Почти у всех народов древности, Солнце было самым главным божеством: Гелиос – у древних греков, Ра – бог Солнца древних египтян и Ярило у славян. Солнце приносило тепло, урожай, все почитали его, потому что без него не было бы жизни на Земле. Размеры Солнца впечатляют. Например, масса Солнца в 330 000 раз больше массы Земли, а его радиус в 109 раз больше. Зато плотность нашего звездного светила небольшая – в 1,4 раза больше, чем плотность воды. Движение пятен на поверхности заметил еще сам Галилео Галилей, таким образом доказав, что Солнце не стоит на месте, а вращается.

Конвективная зона Солнца

Радиоактивная зона около 2/3 внутреннего диаметра Солнца, а радиус составляет около 140 тыс.км. Удаляясь от центра, фотоны теряют свою энергию под влиянием столкновения. Такое явление называют — феномен конвекции. Это напоминает процесс, происходящий в кипящем чайнике: энергии, поступающей от нагревательного элемента, намного больше того количества, которое отводится тепло проводимостью. Горячая вода, находящаяся в близости от огня, поднимается, а более холодная опускается вниз. Этот процесс называются конвенция. Смысл конвекции в том, что более плотный газ распределяется по поверхности, охлаждается и снова идет к центру. Процесс перемешивания в конвективной зоне Солнца осуществляется непрерывно. Глядя в телескоп на поверхность Солнца, можно увидеть ее зернистую структуру — грануляции. Ощущение такое, что оно состоит из гранул! Это связано с конвекцией, происходящей под фотосферой.

Фотосфера Солнца

Тонкий слой (400 км) — фотосфера Солнца, находится прямо за конвективной зоной и представляет собой видимую с Земли «настоящую солнечную поверхность». Впервые гранулы на фотосфере сфотографировал француз Янссен в 1885г. Среднестатистическая гранула имеет размер 1000 км, передвигается со скоростью 1км/сек и существует примерно 15 мин. Темные образования на фотосфере можно наблюдать в экваториальной части, а потом они сдвигаются. Сильнейшие магнитные поля, являются отличительно чертой таких пятен. А темный цвет получается вследствие более низкой температуры, относительно окружающей фотосферы.

Хромосфера Солнца

Хромосфера Солнца (цветная сфера) – плотный слой (10 000 км) солнечной атмосферы, который находится прямо за фотосферой. Хромосферу наблюдать достаточно проблематично, за счет ее близкого расположения к фотосфере. Лучше всего ее видно, когда Луна закрывает фотосферу, т.е. во время солнечных затмений.

Солнечные протуберанцы – это огромные выбросы водорода, напоминающие светящиеся длинные волокна. Протуберанцы поднимаются на огромные расстояние, достигающие диаметра Солнца (1.4 млм км), двигаются со скоростью около 300 км/сек, а температура при этом, достигает 10 000 градусов.

Солнечная корона – внешние и протяженные слои атмосферы Солнца, берущие начало над хромосферой. Длина солнечной короны является очень продолжительной и достигает значений в несколько диаметров Солнца. На вопрос где именно она заканчивается, ученые пока не получили однозначного ответа.

Состав солнечной короны – это разряженная, высоко ионизированная плазма. В ней содержатся тяжелые ионы, электроны с ядром из гелия и протоны. Температура короны достигает от 1 до 2ух млн градусов К, относительно поверхности Солнца.

Солнечный ветер – это непрерывное истечение вещества (плазмы) из внешней оболочки солнечной атмосферы. В его состав входят протоны, атомные ядра и электроны. Скорость солнечного ветра может меняться от 300 км/сек до 1500 км/сек, в соответствии с процессами, происходящими на Солнце. Солнечный ветер, распространяется по всей солнечной системе и, взаимодействуя с магнитным полем Земли, вызывает различный явления, одним из которых, является северное сияние.

Характеристики Солнца

Масса Солнца: 2∙1030 кг (332 946 масс Земли)
Диаметр: 1 392 000 км
Радиус: 696 000 км
Средняя плотность: 1 400 кг/м3
Наклон оси: 7,25° (относительно плоскости эклиптики)
Температура поверхности: 5 780 К
Температура в центре Солнца: 15 млн градусов
Спектральный класс: G2 V
Среднее расстояние от Земли: 150 млн. км
Возраст: 5 млрд. лет
Период вращения: 25,380 суток
Светимость: 3,86∙1026 Вт
Видимая звездная величина: 26,75m