Солнце - центральное и самое массивное тело Солнечной системы. Его масса в 333 000 раз больше массы Земли и в 750 раз превышает массу всех других планет, вместе взятых. Диаметр Солнца приблизительно 1 400 000 км, что в 109 раз превышает диаметр Земли.
Солнце - мощный источник энергии, постоянно излучаемой им во всех участках спектра электромагнитных волн - от рентгеновских и ультрафиолетовых лучей до радиоволн. Это излучение оказывает сильное воздействие на все тела Солнечной системы: нагревает их, влияет на атмосферы планет, дает свет и тепло, необходимые для жизни на Земле. Солнце - типичная звезда, а потому его изучение помогает понять природу звезд вообще.
Солнце - раскаленный газовый шар. В основном оно состоит из водорода с примесью 10% (по числу атомов) гелия. Число атомов всех остальных элементов, вместе взятых, примерно в 1000 раз меньше.
Средняя плотность солнечного вещества ρ ≈1400кг/м3, в его недрах создается давление p≈6,6*1013 Па, оно в миллиард раз превышает атмосферное давление. В центре Солнца температура - около 15 000 000 К.
При такой температуре ядра атомов водорода (протоны) имеют очень высокие скорости (сотни километров в секунду) и могут сталкиваться друг с другом, несмотря на действие электростатической силы отталкивания. Некоторые столкновения завершаются ядерными реакциями, при которых из водорода образуется гелий и выделяется большое количество теплоты. Эти реакции являются источником энергии Солнца на современном этапе его эволюции.
Солнце условно можно разделить на 4 области:
1) внутренняя, центральная область (ядро), где давление и температура обеспечивают протекание ядерных реакций, она простирается от центра до расстояния примерно 1/3RС;
2) "лучистая" зона (расстояние от 1/3 до 2/3RС), в которой энергия передается наружу от слоя к слою;
3) конвективная зона - от верхней части "лучистой" зоны почти до самой видимой границы Солнца. Здесь происходит перемешивание вещества (конвекция), подобное кипению жидкости в сосуде, подогреваемом снизу;
4) атмосфера, начинающаяся сразу за конвективной зоной и простирающаяся далеко за пределы видимого диска Солнца.
Солнечную атмосферу также можно условно разделить на несколько слоев.
Самый глубокий слой атмосферы, толщиной 200-300 км, называется фотосферой (сфера света). Из него исходит почти вся та энергия Солнца, которая наблюдается в видимой части спектра.
На фотографиях фотосферы хорошо заметна ее тонкая структура в виде ярких "зернышек"- гранул размером в среднем около 1000 км, разделенных узкими темными промежутками. Эта структура называется грануляцией. Она оказывается следствием движения газов, которое происходит в расположенной под фотосферой конвективной зоне Солнца.
Крупный план поверхности Солнца и часть
крупнейшего солнечного пятна, 15 июля 2002 года.
Хромосфера — слой газов, достигающий толщины 16 тыс. км. В ней происходит конвекция раскаленных газов, которые, отрываясь от поверхности нижнего слоя (фотосферы), вновь опускаются назад. Именно они «прожигают» корону и образуют потоки солнечного ветра длиной до 150 тыс. км.
Выше хромосферы температура солнечных газов достигает 106-2*106 К и далее на протяжении многих радиусов Солнца почти не меняется. Эта разреженная и горячая оболочка называется солнечной короной.
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.
Временами в отдельных областях фотосферы темные промежутки между гранулами увеличиваются, образуются небольшие округлые поры, некоторые из них развиваются в большие темные пятна.
Наблюдая солнечные пятна в телескоп, Галилей заметил, что они перемещаются по видимому диску Солнца. На этом основании он сделал вывод, что Солнце вращается вокруг своей оси.
Пятна - непостоянные образования. Число и форма пятен на Солнце непрерывно меняются. Обычно солнечные пятна появляются группами.
Около края солнечного диска вокруг пятен видны светлые образования, почти незаметные, когда пятна близки к центру солнечного диска. Эти образования называются факелами.
Главной особенностью пятен, а также факелов является присутствие магнитных полей. В пятнах индукция магнитного поля велика и достигает иногда 0,4-0,5 Тл, в факелах магнитное поле слабее.
Во время значительных изменений, происходящих в группах пятен, в небольшой области иногда возникают хромосферные вспышки: внезапно, за каких-нибудь 10-15 мин, яркость хромосферы сильно увеличивается, происходят выбросы сгустков газа, ускоряются потоки горячей плазмы. Мощность солнечного радиоизлучения при этом обычно увеличивается в миллионы раз (всплески радиоизлучения).
В короне наблюдаются еще более грандиозные по размерам активные образования - протуберанцы. Они представляют собой исключительно разнообразные по форме и характеру своего движения облака более плотных газов по сравнению с веществом короны. Форма протуберанцев и их движение связаны с магнитными полями, проникающими из фотосферы в корону.
Виды протуберанцев
Активные Эруптивные
Спокойные Петлеобразные
Солнце с пятнами и протуберанцами
Мощная вспышка класса M3.6 на Солнце, продолжавшаяся 90 минут,
24 февраля 2011. Часть плазмы улетело в космическое пространство, остальное
вернулось обратно на поверхность звезды. (Фото GSFC | SDO | НАСА)
Периодичность солнечной
активности.
Количество активных областей и групп пятен на Солнце периодически меняется со временем в среднем в течение примерно 11 лет. Это явление называется циклом солнечной активности.
В начале цикла пятен почти нет, затем их количество увеличивается сначала вдали от экватора, а потом все ближе к нему. Через несколько лет наступает максимум количества пятен, или, как говорят, максимум солнечной активности, а после него происходит ее спад.
Под верхним слоем фотосферы – солнечной поверхности, расположена конвективная зона Солнца, именно внутри нее, и зарождается магнитное поле. Невозможно представить, насколько большое значение имеет в происходящих на солнце процессах магнитное поле. Скорее всего, оно есть ответом на все активы явления, которые происходят в атмосфере Солнца, включая и солнечные вспышки.
Сила магнитного поля Солнца в 2 раза превосходит Земную.
На отдельных небольших участках магнитное поле может концентрироваться и быть в 3 тыс. раз сильнее, чем обычно. Эти изменения в магнитном поле происходят потому, что Солнце вращается быстрее на экваторе, чем на полюсах, а внутренние части вращаются быстрее поверхности.
При вращении Солнца самые быстрые (экваториальные) слои увлекают за собой силовые линии слабого общего поля Солнца, которые в них «вморожены». Эти линии вытягиваются под фотосферой и за три года обвиваются вокруг Солнца шесть раз, образуя тугую спираль.
начало вытягивания и закручивания отдельной силовой линии;
Давление газа в них складывается с давлением магнитного поля. Газ в «трубке» расширяется и становится как бы легче и может «всплыть» наверх. В том месте, где она приближается к поверхности, на Солнце наблюдается усиление магнитного поля, а затем и появление факела, а за ним и поля факелов.
развитие биполярных групп пятен из трубки силовых линий; на правом краю - остатки тех же активных областей;
Всплывая к поверхности и пересекая ее, трубка со сгущенными силовыми линиями образует местные усиления магнитного поля и возникают солнечные пятна. Пятна обычно состоят из северной и южной магнитной полярности. Эти области равны основам магнитной трубки, которая выходит из недр Солнца
Выход - силовых линий трубки в разреженные хромосферу и корону, ведет к тому, что линии расходятся, образуя петли и дуги.
Так парящие над поверхностью Солнца протуберанцы, зрительно как бы висящие в пустоте, на самом деле пронизаны нитями магнитного поля, основываясь на нем. Петли (корональные петли окружают солнечные пятна), которые мы часто наблюдаем в короне Солнца, есть простое повторение формы топологии магнитных полей, что их окружают.
Петли магнитного поля на поверхности Солнца, 29 ноября 2010. (Фото НАСА)
Постепенно области активности с порождающими их магнитными трубками в восточной части образуют пятна с полярностями, противоположными той, какая была в начале цикла у этого полюса Солнца. Это вызывает сначала нейтрализацию прежнего общего магнитного поля, а затем, за три года до конца 11-летнего цикла солнечной активности, создает общее поле противоположной полярности.
"Переворот" магнитного поля на Солнце — регулярное явление, происходящее примерно раз в 11 лет. Фактически в такие моменты северный и южный полюса постепенно слабеют и исчезают, а затем возникают вновь, сменив полярность.
В периоды максимума активности на Солнце часто происходят вспышки, появляются "корональные дыры" и выбросы плазмы, которые становятся причиной магнитных бурь на Земле. Полный 22-летний магнитный цикл связан 11-летним циклом солнечной активности, и переворот полюсов происходит во время прохождения его максимума.
При перевороте магнитное поле Солнца никуда не исчезает — оно просто «сползает» с одного полюса на другой. Процесс — не мгновенный, может занимать несколько месяцев
Куда неприятнее переворота может быть сам пик солнечной активности, во время которого возрастает число солнечных пятен — источников магнитных бурь на Земле, влияющих на здоровье чувствительных к ним людей.
Солнце оказывает огромное влияние на явления, происходящие на Земле.
Коротковолновое его излучение определяет важнейшие физико-химические процессы в верхних слоях земной атмосферы.
Видимые и инфракрасные лучи являются основными "поставщиками" тепла для Земли.
Проявлениям солнечной активности сопутствует возникновению магнитных бурь на Земле, которые приводят к проникновению заряженных частиц в более низкие слои атмосферы, отчего и возникают полярные сияния.
Коротковолновое излучение Солнца усиливает ионизацию верхних слоев земной атмосферы (ионосферы), что сильно влияет на условия распространения радиоволн, иногда нарушая радиосвязь.
Активные процессы на Солнце, влияя на атмосферу и магнитное поле Земли, косвенным образом воздействуют и на сложные процессы органического мира - как животного, так и растительного.
Задачи:
1. Считая, что яркость пропорциональна четвертой степени температуры и что температура фотосферы 6000 К, определите температуру солнечного пятна, если его яркость в 10 раз меньше, чем яркость фотосферы.
Обозначим температуру солнечного пятна tp, температуру фотосферы tf, яркость пятна rp, яркость фотосферы rf.
Составляем пропорцию: (tf / tp)4 = rf / rp.
tp= tf*(rp / rf)0,25=6000*0,56=3360К
2. Какой угловой диаметр должно иметь Солнечное пятно, чтобы его линейный диаметр равнялся радиусу Земли 6371 км. Линейный и угловые размеры Солнца соответственно 13,92·105 км, 32'.
Дано: Решение:
DC=13,92·105 км
dc=32'=32'*60=1920" dп = 8,7"
Dп =6371
dп -?
Контрольные вопросы:
1. В какой внутренне области Солнца протекают ядерные реакции? (Ядро)
2. Как называется внешняя оболочка солнца? (Корона)
3. В какой области атмосферы Солнца наблюдаются пятна? (Хромосфера)
4. В какой области атмосферы Солнца наблюдаются активные образования протуберанцы? (Корона)
5. В какой внутренней области Солнца происходит перемешивание вещества? (Конвективная зона).
6. Через сколько происходи переворот магнитного поля Солнца? (семь лет)
7. Как ученые объясняют наличие пятен на Солнце? (Солнце вращается быстрее на экваторе, чем на полюсах, а внутренние части вращаются быстрее поверхности. При вращении Солнца самые быстрые (экваториальные) слои увлекают за собой силовые линии слабого общего поля Солнца, которые в них «вморожены». Давление газа в них складывается с давлением магнитного поля. Газ в «трубке» расширяется и становится как бы легче и может «всплыть» наверх. В том месте, где она приближается к поверхности, на Солнце наблюдается усиление магнитного поля, а затем и появление факела, а за ним и поля факелов).
8. Какое влияние Солнце оказывает на жизнь на Земле?
Домашнее задание:
Вопросы:
1. Что такое Солнце?
1) Звезда. 2) Спутник Земли. 3) Огромная планета. 4) Астероид
2. Какого цвета Солнце?
3. Во сколько раз диаметр Солнца больше диаметра Земли:
4. Из какого химического элемента в основном состоит Солнце?
5. Как называется самый глубокий слой атмосферы?
6. Каков возраст Солнца?
7. Расскажите эволюционный путь Солнца как звезды
8. Расскажите внутреннюю структуру Солнца, укажите назначение каждой из области.
9. Перечислите слои атмосферы Солнца, опишите их.
10. Объясните причину появления на Солнце пятен, вспышек, протуберанцев
11. Какое влияние оказывает Солнце на Землю?
Задачи:
1. Если самое маленькое солнечное пятно, видимое нами в телескоп, имеет угловой диаметр 0,7", то каков его линейный диаметр? Линейный и угловые размеры Солнца соответственно 13,92·105 км, 32'.
2. Одна звезда ярче другой в 16 раз. Чему равна разность их звездных величин?