Состав и строение Солнца

Солнце занимает исключительное положение в жизни человека. Оно обеспечивает нас светом, теплом, является источником всех видов энергии, используемых людьми. Солнце влияет на магнитное поле и верхние слои атмосферы Земли, вызывая магнитные бури, ионизацию и циркуляцию атмосферы. Солнечная «погода» влияет на климат, биосферу и земную жизнь в целом. Значение Солнца человек осознал еще в древности.

Солнце - центральное тело Солнечной системы, типичная звезда, представляющая собой раскаленный плазменный шар. Солнце - одна из 100 млрд звезд нашей Галактики. Детально изучая физическую природу Солнца, мы получаем важнейшие сведения о природе остальных звезд. Диск Солнца, видимый с Земли, - ослепительно желтый круг со средним угловым диаметром 32′. Свет от него доходит до Земли за 8⅓ мин.

Диаметр Солнца равен 1 млн 392 тыс. км (109 диаметров Земли). Объем Солнца, таким образом, более чем в миллион раз превосходит объем Земли, а его масса составляет M⊙ = 1,99 · 10³⁰ кг, что примерно равно 330 000 земных масс.

Измерения за пределами земной атмосферы показали, что на площадку 1 м², расположенную перпендикулярно солнечным лучам, ежесекундно поступает 1,37 кВт энергии. Эта величина практически не меняется в течение длительного промежутка времени, поэтому она получила название солнечной постоянной. Максимум солнечного излучения приходится на оптический диапазон.

Светимость Солнца, или полное количество энергии, излучаемое Солнцем по всем направлениям в единицу времени, определим следующим образом: величину солнечной постоянной умножим на площадь сферы с радиусом r в одну астрономическую единицу (1 а. е. = 149,6* 10⁹ м). Она получится равной (Вт):

L⊙=4πr2⋅1370Вт=3,85⋅10²⁶.

На Землю попадает ничтожная часть солнечной энергии, составляющая около половины миллиардной доли, указанного выше значения.

Почти все наши знания о Солнце основаны на изучении его спектра. Химические элементы, которые присутствуют в атмосфере Солнца, поглощают из непрерывного спектра, излучаемого фотосферой, свет определенной частоты. В результате в непрерывном спектре появляются темные линии. Й. Фраунгофер впервые изучил и зарисовал 576 темных линий солнечного спектра. Ученый правильно указал, что источник темных спектральных линий - солнечная атмосфера. По положениям в спектре (т. е. длинам волн) и интенсивностям этих фраунгоферовых линий можно установить, какие химические элементы присутствуют в солнечной атмосфере.

Уже отождествлено свыше 30 тыс. линий для 70 химических элементов, присутствующих в атмосфере Солнца. Фраунгоферовы линии по интенсивности и ширине чрезвычайно разнообразны. Анализ спектральных линий показал, что преобладающим элементом на Солнце является водород - на его долю приходится свыше 70 % массы Солнца, около 25 % приходится на гелий и около 2 % на другие элементы.

Основываясь на данных о радиусе, массе, светимости Солнца, на физических законах (которые в силу своей универсальности применимы и в условиях других небесных тел), можно получить данные о давлении, плотности, температуре и химическом составе на разных расстояниях от центра Солнца. При приближении к центру Солнца растут, достигая максимальных значений, температура, давление и плотность. Химический состав Солнца тоже различается: процентное содержание водорода меньше всего в центре.

Высокое давление внутри Солнца обусловлено действием вышележащих слоев. Силы тяготения стремятся сжать Солнце. Им противодействует упругость горячего газа и давление излучения, идущие из недр. Эти силы стремятся расширить Солнце. Тяготение, с одной стороны, а упругость газов и давление излучения, с другой - уравновешивают друг друга. Равновесие имеет место во всех слоях от поверхности до центра Солнца. Такое состояние Солнца и звезд называется гидростатическим равновесием. Эта простая идея была выдвинута в 1924 г. английским астрофизиком Артуром Эддингтоном. Она позволила составить уравнения, по которым рассчитывают модели внутреннего строения Солнца, а также других звезд. Такие модели представляют собой совокупность параметров звездного вещества (температура, давление, плотность и т. д.) на разных глубинах. В таблице ниже приведена так называемая модель внутреннего строения Солнца, т. е. зависимость его физических свойств от глубины.

Модель внутреннего строения Солнца

Как видно из таблицы, температура в центре Солнца (R / R⊙ = 0) достигает 15 млн градусов. Именно в этой области генерируется энергия Солнца.

Солнечное вещество в основном состоит из водорода. При огромных давлениях и температурах протоны (ядра водорода) движутся со скоростями в сотни километров в секунду. Внутри Солнца (на расстояниях до 0,3 радиуса от центра создаются условия, благоприятные для протекания термоядерных реакций превращения атомов легких химических элементов в атомы более тяжелые. Из ядер водорода образуется второй из легчайших элементов - гелий. Для образования одного ядра гелия требуется 4 ядра водорода. На промежуточных стадиях образуются ядра тяжелого водорода (дейтерия) и ядра изотопа He₃. Эта реакция называется протон-протонной. При реакции небольшое количество массы реагирующих ядер водорода теряется, преобразуясь в огромное количество энергии. Выделившаяся энергия поддерживает излучение Солнца. Через слои, окружающие центральную часть звезды, эта энергия передается наружу. В области от 0,3 до 0,7 радиуса от центра Солнца находится зона лучистого равновесия энергии, где энергия распространяется через поглощение и излучение γ-квантов.

Рождающиеся в центре Солнца гамма-кванты имеют энергию в миллионы раз большую, чем энергия квантов видимого света. Длина волны гамма-квантов очень мала. В процессе поглощения квантов атомами и дальнейшего их переизлучения происходит постепенное уменьшение их энергии и увеличение длины волны. Количество квантов во время этого процесса возрастает. Мощные гамма-кванты постепенно дробятся на обладающие меньшей энергией: возникают рентгеновские, ультрафиолетовые и, наконец, видимые и инфракрасные лучи.

В области последней трети радиуса Солнца находится конвективная зона. Здесь энергия передается не излучением, а посредством конвекции (перемешивания). Причина возникновения конвекции в наружных слоях Солнца та же, что и в кипящем сосуде с водой: количество энергии, поступающее от нагревателя, гораздо больше того, которое отводится теплопроводностью. Поэтому вещество приходит в движение и само начинает переносить тепло. Конвективная зона простирается практически до самой видимой поверхности Солнца (фотосферы).

Диск Солнца кажется резко очерченным. Это происходит потому, что практически все видимое излучение Солнца исходит из очень тонкого слоя - фотосферы. Слабое излучение более высоких слоев Солнца можно наблюдать во время полного солнечного затмения, когда диск Луны полностью закрывает фотосферу и становятся видны хромосфера и корона. Фотосфера, хромосфера и корона образуют атмосферу Солнца.

Толщина фотосферы не превышает 300 км. Самые приметные объекты на Солнце - это темные пятна. Диаметры пятен иногда достигают 200 тыс. км. Совсем маленькие пятна называют порами. Вся фотосфера Солнца выглядит как совокупность ярких пятен - гранул, разделенных между собой узкими и менее яркими промежутками. Размер каждой из гранул - около 700 км. Рисунок, который образуют гранулы, постоянно изменяется (буквально за 5-10 мин они успевают появиться и исчезнуть). Плазма в пятен и фотосферная грануляция гранулах поднимается вверх, а в межгранульных пространствах опускается вниз. Поэтому разность температур гранул и темных промежутков достигает 600 К. Процесс постоянного возникновения и исчезновения гранул в фотосфере называется грануляцией.

Картина солнечных пятен, хотя и несколько медленнее, также постоянно меняется: пятна появляются, растут и распадаются. Время жизни групп пятен составляет два или три оборота Солнца вокруг своей оси. Пятна холоднее фотосферы на 2-2,5 тыс. градусов, поэтому на общем фоне солнечного диска они выглядят темнее. Солнечные пятна обычно появляются группами в пределах небольшой области, вытянутой параллельно экватору. По размерам в группе выделяются два пятна: головное (западное) пятно, идущее впереди по вращению Солнца, и хвостовое.

Систематические наблюдения солнечных пятен показывают, что Солнце вращается в направлении движения планет и плоскость солнечного экватора наклонена к плоскости эклиптики под углом 7°15'. Также обнаружено, что угловая скорость вращения Солнца убывает от экватора к полюсам. Период вращения Солнца изменяется от 25 суток на экваторе до 30 суток у полюсов.

Многолетние наблюдения образования пятен на Солнце показали, что имеются циклические колебания числа пятен. Иногда их не бывает совсем, а иногда одновременно возникают десятки крупных пятен. Средняя продолжительность такого цикла составляет примерно 11 лет.

Кроме пятен, в фотосфере наблюдаются факелы - яркие образования, видимые в белом свете преимущественно вблизи края диска Солнца. Факелы имеют сложную волокнистую структуру, их температура на несколько сотен градусов превышает температуру фотосферы.

Образование пятен и факелов связано с магнитным полем Солнца. Как показывают исследования, индукция магнитного поля Солнца в среднем в два раза выше, чем на поверхности Земли, однако в местах появления солнечных пятен она увеличивается в тысячи раз, достигая 0,5 Тл. Это приводит к ослаблению конвекции и уменьшению температуры внутри солнечного пятна.

В непрерывном спектре Солнца максимальная энергия излучения приходится на длину волны λmax = 470 нм. Тогда по закону смещения Вина получаем температуру:

T=0,0029λmax,

откуда T = 6170 K.

Над фотосферой находится хромосфера Солнца. Общая ее протяженность 10-15 тыс. км. Температура в хромосфере с высотой не падает, а растет от 4500 К до нескольких десятков тысяч. Излучение хромосферы в сотни раз меньше фотосферного, поэтому для ее наблюдения применяют специальные методы, позволяющие выделять слабое излучение. Хромосфера весьма неоднородна и представляется наблюдателю в виде продолговатых вытянутых язычков или зубчиков - спикул - длиной порядка 10 тыс. км, придающих ей вид горящей травы. Спикулы выбрасываются из нижней хромосферы со скоростями до 30 км/с; время их жизни составляет несколько минут. Одновременно на Солнце существует до 250 тыс. спикул.

На краю солнечного диска хорошо видны протуберанцы - гигантские арки или выступы, как бы опирающиеся на хромосферу. Изменение и форма протуберанцев тесно связаны с магнитным полем Солнца. Протуберанцы выделяются на фоне короны, так как имеют более высокую плотность и температуру порядка 10⁴ К. Скорость движения вещества активных протуберанцев достигает 200 км/с, а высота подъема - до 40 радиусов Земли.

В хромосфере наблюдаются мощные и быстро развивающиеся процессы - вспышки. Эти яркие образования существуют от нескольких минут до 3 часов. Обычно солнечные вспышки проходят вблизи быстро развивающихся групп солнечных пятен. Они сопровождаются выбросами вещества со скоростью до 100 тыс. км/с.

Солнечная корона - самая разреженная и горячая оболочка Солнца, распространяющаяся от него на несколько солнечных радиусов и имеющая температуру плазмы до 1 млн градусов.

Яркость солнечной короны в миллион раз меньше, чем фотосферы. Поэтому наблюдать солнечную корону можно во время полных солнечных затмений или с помощью специальных телескопов-коронографов. Высокая температура и разреженность короны подтверждена спектральным анализом, а также по ее радио- и рентгеновскому излучению.

Нагревание короны до высоких температур осуществляется за счет передачи энергии колебательных (конвективных) движений вещества из фотосферы. Волны (с частотой звуковых колебаний) в короне, где плотность вещества быстро убывает, становятся ударными. Они быстро затухают, происходит преобразование механической энергии волн в тепло. Из-за высокой температуры плотность короны убывает медленно, поэтому самые внешние слои атмосферы Солнца тянутся вплоть до орбиты Земли.

Масса, радиус, количество энергии, излучаемой Солнцем, остаются практически постоянными, но на всех уровнях солнечной атмосферы наблюдаются структурные образования, изменяющие свои физические параметры во времени. Совокупность нестационарных процессов, периодически возникающих в солнечной атмосфере, называется солнечной активностью. Проявлением солнечной активности являются пятна, факелы в фотосфере, протуберанцы, вспышки и выбросы вещества в атмосфере и короне. Места, где они возникают, называются активными областями. Все активные образования взаимосвязаны между собой с помощью изменяющихся магнитных полей, которые всегда присутствуют в активных областях Солнца. Центры активности, зарождаясь на некоторой глубине под фотосферой, простираются в виде ярусов далеко в солнечную корону.

Не только появление пятен, но и солнечная активность в целом имеют 11-летнюю цикличность (колебание циклов фактически проходит в пределах от 7,5 до 16 лет).

Электромагнитное излучение Солнца, максимум которого приходится на видимую часть спектра, проходит строгий отбор в земной атмосфере. Она «прозрачна» только для видимого света и частично ультрафиолетового и инфракрасного излучений, а также для радиоволн в сравнительно узком диапазоне.

В ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах мощность солнечного излучения резко уменьшается - в сотни тысяч раз по сравнению с мощностью излучения в оптическом диапазоне. Но если в оптическом диапазоне Солнце является постоянной звездой, то излучение в коротковолновой области спектра зависит от солнечной активности, увеличиваясь или уменьшаясь в несколько раз в течение 11-летнего солнечного цикла. Сильно возрастает поток коротковолнового излучения во время хромосферных вспышек. Из нижних слоев хромосферы исходит ультрафиолетовое излучение, максимальная интенсивность которого может в 2 раза превышать минимальное значение в 11-летнем цикле. Основное рентгеновское излучение исходит от короны Солнца.

Рентгеновское и ультрафиолетовое излучение Солнца поглощается в верхних слоях атмосферы Земли. Оно ионизирует газы земной атмосферы. Ионизированный слой верхней атмосферы Земли называется ионосферой. Ионосфера Земли полностью определяет распространение коротких радиоволн между удаленными пунктами земной поверхности. При сильных всплесках солнечного рентгеновского излучения из-за хромосферных вспышек нарушается связь на коротких радиоволнах.

Длинноволновое (мягкое) ультрафиолетовое излучение Солнца способно проникать до высоты 30-35 км в атмосферу Земли. Там оно разделяет молекулы кислорода O₂ на два составляющих ее атома. Свободные атомы, соединяясь с молекулами кислорода, образуют новое вещество - озон, каждая молекула которого состоит из трех атомов кислорода.

Озоновый слой поглощает практически все ультрафиолетовое излучение Солнца, оставляя лишь малую долю, достигающую поверхности Земли и вызывающую у людей загар. Когда толщина озонового слоя уменьшается, солнечное ультрафиолетовое излучение может возрасти в 1,5-2 раза. Тогда это излучение становится очень активным и может вызывать заболевания раком кожи.

Непрерывный расширяющийся поток разреженной плазмы, радиально исходящий от Солнца вдоль линий напряженности магнитного поля и заполняющий собой межпланетное пространство, называется солнечным ветром. В его состав входят протоны, электроны, а также α-частицы и в незначительных количествах ряд высокоионизированных атомов (кислород, кремний, сера, железо). Скорость частиц солнечного ветра увеличивается по мере их удаления от Солнца. Вблизи Земли скорость солнечного ветра достигает 450 км/с, а плотность составляет несколько частиц в кубическом сантиметре.

Поток солнечной плазмы не может преодолеть противодействие магнитного поля Земли и обтекает его. При этом образуется полость - магнитосфера. Магнитосфера имеет каплеобразную форму. Со стороны Солнца магнитосфера сжата давлением солнечного ветра. Граница магнитосферы, обращенная к Солнцу, находится на расстоянии, равном в среднем 10-12 радиусов Земли. С противоположной (ночной) стороны магнитосфера вытянута подобно хвосту кометы, и ее протяженность достигает расстояния, равного 6000 радиусов Земли. С изменением скорости и плотности частиц солнечного ветра изменяется и форма магнитосферы.

Солнечная активность оказывает сильное влияние в первую очередь на внешние оболочки Земли - магнитосферу и ионосферу. Во время мощных солнечных вспышек частицы могут разгоняться до 100 000 км/с, т. е. возникают космические лучи солнечного происхождения. Под воздействием солнечных космических лучей образуется окись азота NO, которая, взаимодействуя с озоном, активно его разрушает за счет реакции NO + O3 → NO2 + O2. После мощных вспышек на Солнце наблюдается понижение содержания озона в стратосфере над полярными шапками Земли.

С помощью коронографов, установленных на космических аппаратах, регистрируют грандиозные выбросы вещества из возмущенной короны Солнца. Оторвавшийся от Солнца сгусток корональной плазмы, несущий внутри себя замкнутую петлю магнитного поля, называется корональным выбросом массы.

Столкновение плазменного облака с магнитосферой Земли приводит ее к сильным возмущениям. Воздействие коронального выброса приводит к возникновению сильных магнитных бурь, к разогреву и ускорению плазмы внутри магнитосферы. При этом быстрые протоны и электроны, сталкиваясь с молекулами воздуха на высоте 100-200 км, ионизуют их и заставляют светиться. При подобной ионизации воздуха на определенной частоте начинается свечение. В результате ионизации на Земле, преимущественно в околополярных широтах, наблюдаются полярные сияния. При высокой геомагнитной активности полярные сияния появляются на высоте 300-400 км, и их можно наблюдать даже на широтах Москвы.

Во время магнитной бури изменяются электрические поля над поверхностью Земли. Это, во-первых, приводит к возникновению перегрузок в линиях электропередачи (до нескольких сотен ампер) и их отключению. Во-вторых, к наведению сильных токов в трубах газо- и нефтепроводов и к выходу из строя их систем управления. Последствия магнитной бури сказываются на бортовых электронных системах космических аппаратов.

Магнитные бури приводят к изменению давления в тропосфере (нижнем слое атмосферы Земли), в результате чего развиваются циклоны.

На тот факт, что Солнце влияет на биологические объекты, в том числе и на здоровье человека, впервые еще в 1915 г. обратил внимание Александр Леонидович Чижевский. Проанализировав исторические документы, ученый пришел к выводу, что в прошлом массовые стихийные бедствия, социальные «взрывы» и вспышки эпидемий приходились преимущественно на годы максимумов солнечной активности. На основании выведенной связи А. Л. Чижевский попытался предсказать некоторые эпидемии на 35 лет вперед. Его прогнозы сбылись в семи случаях из восьми.

А. Л. Чижевский является одним из основателей гелиобиологии. Эта наука, возникшая на стыке физики Солнца и биологии, изучает влияние циклической активности Солнца на биологические объекты, здоровье человека и социальные катаклизмы.

К колебаниям солнечной активности особенно чувствительна нервная система человека. Достоверно установлено, что число больных, поступающих в клиники, резко увеличивается в дни подъема солнечной активности. Предполагается, что солнечная активность влияет на человека через возмущения магнитного поля Земли.