Солнце
Солнце является одной из звёзд нашей Галактики - огромной звёздной системы поперечником около 100 000 световых лет. Солнце находится не в центре Галактики, а на расстоянии около 26 000 световых лет от центра Галактики, на внутреннем крае рукава Ориона между рукавом Персея и рукавом Стрельца. Рукавами называют ветви нашей спиральной Галактики. Солнцу требуется более 200 миллионов лет, чтобы со скоростью около 220 км/с совершить 1 оборот вокруг центра Галактики. Этот период называется галактическим годом. За свою жизнь Солнце успело сделать около 23 оборотов. Можно сказать поэтому, что Солнцу около 23 галактических лет.
Различают звёзды двух поколений - первого и второго (и даже третьего). Звёзды первого поколения появились из первичного вещества, образовавшегося во время Большого взрыва, т.е. практически только из водорода и гелия. Звёзды второго поколения возникли из вещества, обогащённого тяжёлыми химическими элементами (тяжелее гелия). Эти элементы синтезировались в звёздах первого поколения и были выброшены в межзвёздное пространство, в основном, при взрывах сверхновых. Солнце - звезда второго поколения (некоторые учёные считают, что третьего поколения).
В составе Солнца есть не только водород и гелий, но и другие химические элементы. Состав Солнца по массе: 70% водород, 28% гелий ("гелий" в переводе означает "солнечный"), 2% остальные элементы. На 1 миллион атомов водорода приходится 98 000 атомов гелия, 851 атом кислорода, 398 атомов углерода, 123 атома неона, 100 атомов азота, 47 атомов железа, 38 атомов магния, 35 атомов кремния, 16 атомов серы, 4 атома аргона, 3 атома алюминия, по 2 атома никеля, натрия и кальция, а также совсем немного всех прочих химических элементов. Главный источник информации о химическом составе Солнца - солнечный спектр.
В нашей Галактике много протозвёзд (протозвезда - это звезда на заключительной стадии своего рождения; "прото..." означает "первичный, первоначальный"), много "стареющих" и "умирающих" звёзд, много и таких, которые находятся в середине своего жизненного пути. К таким звёздам относится Солнце. Оно появилось около 4,6 миллиардов лет назад из газо-пылевой туманности. Ещё через 5 миллиардов лет в нём нарушится равновесие, Солнце начнёт пульсировать - станет физической переменной звездой, потом пройдёт стадию красного гиганта, после чего сбросит свою внешнюю газовую оборочку (образуется планетарная туманность). Ещё 1-2 миллиарда лет Солнце проживёт как белый карлик, и, наконец, начнёт постепенно угасать. Такова вкратце судьба нашего светила.
12 миллиардов лет для звезды - срок значительный. Почему наше Солнце будет светить так долго, ведь есть звёзды, жизнь которых исчисляется всего десятками миллионов лет? Здесь следует вспомнить, что температура и мощность излучения звезды зависит от её массы, причем зависит нелинейно. Грубо говоря, при увеличении массы звезды в 10 раз мощность её излучения увеличивается в 100 раз. Поэтому более массивные, более горячие звёзды расходуют свои запасы топлива гораздо быстрее, чем менее массивные, и живут относительно недолго. Солнце считают "жёлтым карликом" - звездой весьма скромных размеров и массы. Расход топлива в недрах Солнца небольшой. Как заметил однажды советский астрофизик В. Г. Курт, поток солнечной энергии, приходящийся в среднем на единицу массы Солнца, равен потоку энергии, выделяемой такой же по массе кучей прелых листьев в лесу. Вот почему Солнце проживёт так долго. 85% звёзд Галактики светят слабее нашего Солнца (т.е. их светимость меньше светимости Солнца). Большинство из них красные карлики, которые проживут дольше Солнца. Из 50-ти ближайших звёзд (в пределах сферы радиусом 17 световых лет) Солнце является 4-ой звездой по светимости. Остальные светят слабее Солнца.
Солнце является центральным объектом всей Солнечной системы. Почему именно Солнце, а не какое-нибудь другое космическое тело? - Всё дело в массе. Солнце - самый массивный объект в Солнечной системе. В Солнце сосредоточено около 99,9% массы всей Солнечной системы. Солнце в 750 раз массивнее всех планет Солнечной системы, вместе взятых. А чем массивнее тело, тем больше его гравитационная сила (сила притяжения). Солнце заставляет все тела Солнечной системы обращаться вокруг себя.
Земля также обращается вокруг Солнца. Следствием этого движения является видимое перемещение Солнца в течение года по 13 зодиакальным созвездиям - Овну, Тельцу, Близнецам, Раку, Льву, Деве, Весам, Скорпиону, Змееносцу, Стрельцу, Козерогу, Водолею и Рыбам. Видимый путь Солнца по звёздному небу называют эклиптикой. Эклиптика - это большой круг небесной сферы. Его можно увидеть на подвижной карте звёздного неба в виде овала, проходящего через зодиакальные созвездия. На настоящем небе его, конечно, нет.
Диаметр Солнца составляет 1 392 000 км. Это примерно в 10 раз больше экваториального диаметра Юпитера и в 109 раз больше диаметра Земли.
Солнце - ближайшая к нам звезда. Первым учёным, кто попытался определить расстояние между Землёй и Солнцем, был древнегреческий учёный Аристарх (Самосский). Солнце и Землю разделяет расстояние примерно 150 миллионов километров. Это расстояние принято за 1 астрономическую единицу (1 а.е.). Но поскольку форма орбиты Земли не круговая, а эллиптическая, расстояние от Земли до Солнца постоянно изменяется в пределах от 147 100 000 км до 152 100 000 км. Поэтому меняются и видимые угловые размеры диска Солнца на земном небе - от 32’ 31” до 32’ 27”. На глаз это, конечно, не заметно.
А вот видимые угловые размеры солнечного диска на небе различных планет Солнечной системы:
Изучая Солнце, учёные получили много информации о том, как устроены звёзды вообще. Познакомимся со строением Солнца.
Ядро. Его диаметр около 350 000 км. Плотность вещества тут достигает 150 г/см3. Здесь-то и протекают реакции термоядерного синтеза (превращение водорода в гелий), которые позволяют Солнцу так долго и мощно светить. Температура в самом центре достигает 15 000 000 ºС. При этом в излучение каждую секунду превращается более 4·109 кг вещества. Казалось бы, Солнце должно давно "похудеть" от таких затрат. Но не будем забывать, что масса Солнца около 2·1030 кг.
Зона излучения (зона лучистого переноса энергии или зона лучистого равновесия). Ядро - это единственное место в Солнце, где энергия выделяется в результате термоядерных реакций. Остальные части Солнца раскалены именно этой энергией, которая излучается из ядра во все стороны. Известны три способа передачи энергии:
- Теплопередача - энергия передаётся от более горячего тела к более холодному при непосредственном контакте. Например, человек долго сидел на стуле и сиденье стало тёплым или при глажении белья утюгом.
- Конвекция - энергия передаётся в жидкости или газе потоками вещества (перемешивание). При естественной конвекции нижние слои вещества нагреваются, становятся легче и всплывают, а верхние, наоборот, остывают, становятся тяжелее и опускаются вниз. Естественную конвекцию можно наблюдать при нагревании воды в чайнике или проветривании комнаты в холодный день.
- Излучение - энергия передаётся от одних тел к другим в виде электромагнитных волн (любые электромагнитные волны несут энергию, но больше всего энергии несут волны инфракрасного диапазона). Пример: нагревание земли (и других предметов) в солнечный день или нагревание пищи в микроволновке.
В зоне излучения энергия из солнечного ядра передаётся в более верхние слои преимущественно излучением, а не перемешиванием вещества. Зона эта имеет толщину 700 000 км. Температура здесь с уменьшением глубины убывает до 2 000 000 ºС.
Зона конвекции (зона конвективного переноса энергии). С удалением от центра Солнца температура, плотность и давление уменьшаются. На определённой глубине плотность становится такой небольшой, что вещество начинает перемешиваться. Возникают вихревые потоки, которые и переносят вещество из глубин Солнца к поверхности. Энергия через эту зону передаётся к поверхности путём перемещения плазмы. Толщина зоны конвекции около 300 000 км. По мере приближения к поверхности температура падает до 6 000 ºС. Плотность вещества у поверхности Солнца в 1 000 раз меньше плотности земного воздуха (при нормальных условиях).
Верхушки вихревых потоков плазмы видны на солнечном диске в виде так называемых гранул. Диаметр отдельной гранулы около 700 км. В совокупности гранулы образуют грануляцию. В телескоп грануляция видна как множество "ячеек", "крупинок" на видимой поверхности Солнца.
Скорость движения вещества в гранулах около 1-2 км/с, а время жизни отдельной гранулы составляет не более 10-15 минут.
Далее начинается солнечная атмосфера. Атмосфера Солнца состоит из трёх слоёв:
Фотосфера (толщина около 300 км). Фотосфера образует видимую невооружённым глазом поверхность Солнца. Именно по фотосфере определяют диаметр Солнца (около 1 392 000 км), расстояние до Солнца, период его вращения. Вращение Солнца было открыто Галилео Галилеем по смещению солнечных пятен. Впоследствии выяснилось, что вращение Солнца неравномерное - 1 оборот вблизи полюсов продолжается около 36 суток, а 1 оборот вблизи экватора - около 25,6 суток. Кроме того, внутри Солнце вращается быстрее, чем снаружи.
Самые интересные образования в фотосфере - солнечные пятна. Козьма Прутков в шутку говаривал: "...Взирая на Солнце, прищурь глаза свои, и ты смело разглядишь в нём пятна". Впервые в телескоп солнечные пятна наблюдал Галилео Галилей (их перемещение по солнечному диску учёный правильно объяснил вращением Солнца). В 1611 г. был сконструирован первый гелиоскоп - телескоп для наблюдения пятен на Солнце (сегодня гелиоскопы не используются, т.к. были изоретены другие, более совершенные способы съёмки поверхности Солнца). Температура пятен меньше температуры окружающей фотосферы на 1-2 тысячи градусов, и поэтому они кажутся нам тёмными (на самом деле, сами по себе, пятна очень даже ярко светят). Диаметр пятен может достигать 50-60 тысяч км (в несколько раз больше диаметра Земли). Крупные пятна имеют центральную часть - тень, которая окружена полутенью (состоит из светлых и тёмных радиальных волокон). Мелкие пятна называют порами. Пятна часто образуют пары и группы, которые могут "жить" на протяжении нескольких оборотов Солнца. Но только половина пятен "живёт" более 2 суток, и всего 1/10 часть - более 11 суток. Пятна никогда не возникают на экваторе и полюсах Солнца, а появляются в средних широтах. Пятна располагаются на 500-700 км ниже окружающей части фотосферы.
Пятна возникают в результате возмущений отдельных участков магнитного поля Солнца. Количество пятен на Солнце - один из главных показателей солнечной активности. Солнечная активность то нарастает, то спадает. Максимумы солнечной активности наступают в среднем через каждые 11 лет (продолжительность цикла меняется от 9 до 14 лет). Обнаружил цикличность солнечной активности немецкий аптекарь, любитель астрономии Генрих Швабе в середине XIX века. Русский учёный А. Л. Чижевский обратил внимание, что на максимум солнечной активности приходится больше вспышек эпидемий болезней, чем в другие годы. Конец 2012 года - период максимума солнечной активности.
Вокруг солнечных пятен часто наблюдаются светлые участки, напоминающие расплёсканное молоко - солнечные факелы. Лучше всего они наблюдаются возле края солнечного диска. Их температура на 2 000 градусов выше температуры окружающей фотосферы. Отдельные факелы объединяются в факельные поля, которые могут существовать 3-4 месяца. Иногда факельные поля существуют без пятен.
Хромосфера. Располагается над фотосферой. Толщина около 10 000 км. Невооружённым глазом видна только во время полных солнечных затмений, когда яркий диск Солнца закрыт диском Луны. Однако, хромосферу можно наблюдать в телескоп, оборудованный специальным фильтром, пропускающим электромагнитные волны определённого узкого диапазона. Солнце в такой телескоп выглядит красным диском. В хромосфере наблюдаются флоккулы, спикулы, волокна, но наиболее интересные делали хромосферы - протуберанцы. Это гигантские выбросы, фонтаны плазмы, как бы опирающиеся на магнитное поле Солнца и вздымающиеся над фотосферой на высоту до 1,7 миллиона км (в июне 1946 г. астрономы зафиксировали самый большой протуберанец за всю историю наблюдения Солнца). Изучать протуберанцы начали с 1842 года. Различают спокойные, активные, эруптивные и петлеобразные протуберанцы.
Корона. Это самый внешний слой солнечной атмосферы. Корона представляет собой поток электромагнитного излучения и заряженных частиц (электронов, протонов...) и простирается до окраин Солнечной системы. Земля находится в короне Солнца. Температура короны около 1 000 000 ºС. Солнечная корона видна невооружённым глазом только во время полных солнечных затмений. Форма короны меняется в зависимости от общей активности Солнца.
Поток заряженных частиц образует так называемый солнечный ветер. Солнечный ветер вызывает полярные сияния на Земле и других планетах.
Солнце излучает гамма-, рентгеновское, ультрафиолетовое, видимое, инфракрасное и радио- излучения. Невооружённым глазом мы воспринимаем только видимое излучение. Инфракрасное излучение Солнца мы ощущаем кожей в виде тепла. На ультрафиолетовое излучение Солнца кожа реагирует загаром.
В настоящий момент Солнце изучается космическими станциями SOHO (США), Hinode (Япония), STEREO, SDO (США), "Коронас-Фотон" (Россия).
Солнечное излучение поддерживает жизнь на Земле, определяет климат. Солнечный свет участвует в начальных стадиях фотосинтеза, а ведь именно благодаря фотосинтезу атмосфера Земли постоянно пополняется кислородом, который необходим для дыхания живых организмов. Солнечное излучение - основной источник энергии на Земле. Прямое нагревание солнечными лучами или преобразование энергии с помощью фотоэлементов может быть использовано для получения электроэнергии и выполнения другой полезной работы.