Солнце

Общие сведения

Солнце находится в центре Солнечной системы и является крупнейшим ее объектом. Оно содержит 99,8 процентов массы всей Солнечной системы. Солнце в 109 раз больше Земли по диаметру и примерно в миллион раз по объему. Видимая поверхность Солнца имеет температуру около 5500°C, а температура в ядре достигает более 15 миллионов градусов, что обусловлено ядерными реакциями. Количество энергии, выделяемой Солнцем, соответствует взрыву 100 млрд. тонн динамита каждую секунду. Солнце является одной из более чем 100 миллиардов звезд Млечного Пути. Оно совершает оборот вокруг галактического ядра примерно за 250 миллионов лет. Солнце является относительно молодой звездой, частью поколения звезд, известного как население I. Это поколение относительно богато элементами тяжелее гелия. Старшее поколение звезд называется Население II. Возможно, существовало еще более древнее поколение – население III, хотя ни один из его членов не был обнаружен.

Образование и эволюция

Солнце родилось примерно 4,6 миллиарда лет назад. Многие ученые считают, Солнце и остальная Солнечная система сформировалась из огромного, вращающегося облака газа и пыли, известного как «солнечная туманность». Вследствие гравитации туманность постепенно превратилась в диск, где большая часть вещества была сосредоточена в центре. Дальнейшее сжатие центральной части газопылевого диска и привело к образованию Солнца. Запасов ядерного топлива Солнцу хватит еще на 5 миллиардов лет, после этого оно начнет увеличиваться в размерах, превращаясь в красного гиганта. При этом будут поглощены ближайшие планеты. В конце концов, оно сбросит свои внешние слои, образуя туманность, а оставшееся ядро сожмется, чтобы стать белым карликом. Медленно оно начнет угасать, переходя в завершающую фазу своей эволюции, как тусклый холодный объект, иногда называемый черным карликом.

Внутреннее строение

Солнце и его атмосфера разделена на несколько зон и слоев. Недра Солнца состоят из ядра, зоны лучистого переноса и конвективной зоны. Атмосфера состоит из фотосферы, хромосферы и солнечной короны. Из внешней части солнечной короны истекает солнечный ветер – поток ионизированных частиц. Ядро простирается от центра Солнца до четверти пути к его поверхности. Хотя оно составляет лишь около 2 процентов от объема Солнца, его плотность в 15 раз превышает плотность свинца и составляет почти половину массы Солнца. Далее идет зона лучистого переноса, которая простирается от ядра до 70 процентов пути к поверхности Солнца, что составляет 32 процентов от объема Солнца и 48 процентов его массы. Свет от ядра рассеивается в этой зоне, так что один фотон может проходить ее миллионы лет. Конвективная зона достигает поверхности Солнца и составляет 66 процентов от объема Солнца, но только немногим более 2 процентов от массы. В этой зоне доминирует вихревое перемешивание плазмы и перенос энергии к поверхности (фотосфере). Термики (термические потоки) в конвекционной зоне вызывают на поверхности гранулы, которые, по сути, являются вершинами термиков и супергрануляцию. Типичный размер гранул – 1000 км, а размер супергранул 30000 км.

Атмосфера

Фотосфера – это самый нижний слой атмосферы Солнца. Именно фотосфера излучает свет, который мы видим, и формирует внешний облик Солнца. Ее толщина составляет 500 км, однако большая часть света исходит от ее нижней трети. Температуры там варьируются от 6125°C в нижней части до 4125°C на вершине. Далее идет хромосфера, которая значительно горячее, температура там достигает 19725°C. Хромосфера, по-видимому, полностью состоит из остроконечных структур, известных как спикулы. С Земли при наблюдении в свете определенной спектральной линии спикулы выглядят как тонкие плазменные столбики. Тонкими столбиками они являются в масштабах Солнца, их толщина на самом деле составляет 1000 км при высоте до 10000 км (для сравнения диаметр Земли – 12742 км). Внешней оболочкой Солнца является солнечная корона, которая состоит в основном из протуберанцев и энергетических извержений, исходящих и извергающихся на несколько сотен тысяч и даже более миллиона километров в пространство, образуя солнечный ветер. Температура короны очень высокая – от 500000°С до 6000000°С и даже может достигать десятков миллионов градусов, во время солнечных вспышек.

Магнитное поле

Общее магнитное поле с характерными размерами, сравнимыми с размерами Солнца, имеет среднюю напряжённость на уровне фотосферы порядка нескольких гаусс (для сравнения на Земле напряженность составляет около 0,3 гаусс на Экваторе и 0,7 гаусс в полярных районах). Тем не менее, локальные поля Солнца отличаются значительно сильнее. Самые мощные магнитные поля (до нескольких тысяч гаусс) наблюдаются в группах солнечных пятен в максимуме солнечного цикла. Неоднородность в магнитном поле обуславливается тем, что Солнце вращается быстрее на экваторе, чем на более высоких широтах, а также тем, что внутренние части Солнца вращаются быстрее, чем поверхностные. Все эти особенности приводят к целому спектру явлений, начиная от тех же пятен и заканчивая захватывающими извержениями известными как вспышки и корональные выбросы массы. Вспышки самое мощное из всех явлений в Солнечной системе. Энергия большой солнечной вспышки достигает 1025 джоулей, что приблизительно в 100 раз превышает тепловую энергию, которую можно было бы получить при сжигании всех разведанных на Земле запасов нефти и угля. Выбросы корональной массы менее драматичные, но затрагивают огромные количества вещества. Один такой выброс уносит примерно 20 млрд. тонн вещества в космосе.

Химический состав

Как и большинство других звезд, Солнце состоит преимущественно из водорода, а затем гелия. Почти все оставшееся вещество состоит из семи элементов: кислорода, углерода, неона, азота, магния, железа и кремния. На каждый 1 миллион атомов водорода на солнце, есть 98000 гелия, 850 кислорода, 360 углерода, 120 неона, 110 азота, 40 магния, 35 железа, и 35 из кремния. Тем не менее, водород является самым легким из всех элементов, так что на него приходится лишь около 72 процентов от массы Солнца, а масса гелия составляет около 26 процентов.

Пятна на Солнце и солнечный цикл

Солнечные пятна – относительно холодные и темные образования на поверхности Солнца, часто неправильно круглой формы. Они возникают там, где плотные пучки силовых линий магнитного поля прорываются из недр Солнца на поверхность. Количество солнечных пятен изменяется при изменении солнечной магнитной активности. Изменение количества пятен – от минимума (нет ни одного пятна) до максимума (около 250 пятен или групп пятен), а затем обратно к минимуму, называют солнечным циклом, и составляет в среднем около 11 лет. В конце цикла, магнитное поле меняет свою полярность.

Наблюдение

Древние культуры часто приспосабливали природные скальные образования или строили каменные сооружения, чтобы отмечать движение Солнца и Луны, а также создавать графики сезонов, календари и наблюдать затмения. Многие считали, что Солнце вращается вокруг Земли. Так считал и древнегреческий астроном Клавдий Птолемей, который создал свою геоцентрическую модель в 150 году. В 1543 году, Николай Коперник описал гелиоцентрическую модель Солнечной системы, а последующее открытие Галилеем спутников Юпитера в 1610 году наглядно показало, что не все небесные тела обращаются вокруг Земли. Фактически первые внеатмосферные наблюдения Солнца были проведены вторым искусственным спутником Земли «Спутник-2» в 1957 году. В 1959 году опытным путем был обнаружен солнечный ветер с помощью ионных ловушек космических аппаратов «Луна-1» и «Луна-2». В период с 1962 по 1971 год НАСА запустило серию из восьми орбитальных обсерваторий. Наблюдения семи из них были успешными – было выполнено исследование Солнца в ультрафиолетовом и рентгеновском диапазоне, а также получены фотографии его сверх горячей короны. В 1990 году НАСА и Европейское космическое агентство запустили космический аппарат Улисс для изучения Солнца со стороны полюсов. В 2004 году космический аппарат Генезис принес на Землю образцы солнечного ветра для изучения. В 2007 году два космических аппарата STEREO, миссия НАСА по изучению солнечной активности,передали первые трехмерные изображения Солнца (наблюдение Солнца велось одновременно с 2 разных точек земной орбиты, тем самым достигался стереоскопический эффект позволяющий получать трехмерные изображения структур и явлений на Солнце). Космический аппарат SOHO предназначен для изучения солнечного ветра, а также внешних слоев Солнца и внутреннего строения. Он имеет на борту 12 инструментов, позволяющих исследовать структуру солнечных пятен ниже поверхности, измерять ускорение солнечного ветра. С помощью него были открыты корональные волны и солнечные торнадо, а также обнаружены более 1000 новых комет. Недавно космическая обсерватория SDO (обсерватория солнечной динамики), самый продвинутый космический аппарат для изучения Солнца, передал подробные изображения, не наблюдавшегося ранее движения вещества внутрь и наружу солнечных пятен. Кроме того, с помощью данной обсерватории были получены высококачественные изображения активности на поверхности Солнца, включая солнечные вспышки в широком диапазоне длин волн.