Условно в атмосфере Солнца выделяют три основных слоя: фотосферу (самый нижний слой), хромосферу и корону.
1. Фотосфера. Доступная непосредственному наблюдению светящаяся «поверхность» Солнца называется фотосферой. Никакой «поверхности» в обычном смысле этого слова Солнце, конечно, не имеет. На самом деле фотосфера представляет собой нижний слой солнечной атмосферы, толщина которого 300—400 км. Именно она излучает практически всю приходящую к нам солнечную энергию, так как из-за непрозрачности вещества фотосферы солнечное излучение из более глубоких слоев Солнца к нам уже не доходит и их увидеть невозможно. Плотность фотосферы не превышает порядка 10 -4 кг/м 3 , а число атомов преобладающего в фотосфере водорода — порядка 10 17 в объеме 1 см 3 . Температура в фотосфере растет с глубиной, в среднем она близка к 6000 К.
Рис. 69. Участок фотосферы Солнца.
Нарисунке 69 показан участок фотосферы, сфотографированный с помощью телескопа, поднятого на стратостате. На нем видно крупное солнечное пятно и множество зерен ( гранул ). Гранулы ярче и, следовательно, горячее, чем окружающие его участки фотосферы. Размеры гранул неодинаковы и составляют в среднем несколько сотен километров. Время существования отдельных гранул — около 8 мин. Непрерывно появляющиеся и исчезающие гранулы свидетельствуют о том, что вещество, из которого состоит фотосфера, находится в движении. Один из видов движений в фотосфере и подфотосферных слоях — вертикальный подъем и опускание вещества. Такое колебательное движение связано с конвекцией: начиная с некоторой глубины (примерно 0,3 радиуса Солнца) вещество на Солнце перемешивается, подобно воде в сосуде, подогреваемой снизу. Гранулы — это верхушки конвективных потоков, проникающих в фотосферу. Гранулы всегда наблюдаются на всей поверхности Солнца, которую иногда сравнивают с кипящей рисовой кашей. Другие детали фотосферы (пятна, факелы) появляются лишь время от» времени.
Еще задолго до изобретения телескопа люди замечали на неярком заходящем Солнце или на Солнце, видимом сквозь легкие облака, темные пятна. Прежде не только не знали, что представляют собой пятна, но и не допускали мысли о том, что пятна находятся на Солнце. Лишь теперь, спустя три с половиной столетия с тех пор, как Галилей доказал, что пятна — это реальные образования на поверхности Солнца, начинает выясняться их физическая природа.
Солнечные пятна значительно крупнее гранул. Диаметры наибольших пятен достигают десятков тысяч километров. Пятна — непостоянные, изменчивые детали фотосферы, существующие от нескольких дней до нескольких месяцев. Иногда на Солнце не бывает пятен совсем, а иногда одновременно наблюдаются десятки крупных пятен. Многолетние наблюдения пятнообразовательной деятельности Солнца показали, что имеются циклические колебания числа пятен. Средняя продолжительность цикла составляет примерно 11 лет (рис. 70).
Рис. 70. 11-летний цикл солнечной активности.
Рис. 71. Группа солнечных пятен.
Центральнаячасть пятна — ядро (или тень ) — окружена волокнистой полутенью (см. рис. 69). Вблизи края солнечного диска круглое пятно видно как эллиптическое, а совсем близко от края диска — как узкая полоска полутени. Это можно объяснить тем, что пятно представляет собой коническую воронку, глубина которой примерно 300—400 км. Пятна кажутся темными лишь по контрасту с фотосферой. На самом деле температура ядра (самой холодной части пятна) около 4300 К, т. е. выше температуры электрической дуги, на которую, как известно, невозможно смотреть без защитных очков. Линии в спектре пятен заметно расщеплены. Это явление объясняется тем, что вещество пятен подвержено действию сильных магнитных полей. Обычно пятна наблюдаются группами (рис. 71). Пятно в группе, которое располагается первым по направлению вращения Солнца, называется головным , последнее пятно в группе — хвостовым . Головные и хвостовые пятна имеют противоположную полярность, например головные — северный магнитный полюс, а хвостовые — южный, т. е. в целом группа пятен напоминает гигантский магнит. Магнитное поле пятен в тысячи раз превосходит общее магнитное поле Солнца. Поэтому солнечные пятна подобны «магнитным островам» в фотосфере Солнца. Замечательно, что в соседних 11-летних циклах группы пятен изменяют свою полярность. Например, если в данном 11-летнем цикле все головные пятна групп в северном полушарии Солнца имели северный магнитный полюс, то в следующем цикле северный магнитный полюс будет у хвостовых пятен.
Магнитное поле пятен — одна из наиболее важных характеристик. Именно с магнитным полем связана и причина появления солнечных пятен. Дело в том, что сильное магнитное поле способно замедлить конвекцию плазмы. В местах, где конвекция замедлена, на поверхность поступает меньше энергии, там образуются более холодные и темные участки фотосферы — солнечные пятна.
Фотосферные факелы — детали более светлые (а значит, и более горячие), чем фотосфера. Если группа пятен находится вблизи края солнечного диска, то вокруг нее обычно видно множество факелов — факельное поле. Факелы возникают незадолго до появления солнечных пятен и существуют в среднем в три раза дольше пятен. В местах, где наблюдаются факелы, на поверхность Солнца выносится более горячее вещество, чем в других участках фотосферы. Это связано с местным усилением конвекции в подфотосферных слоях.
2. Хромосфера. В моменты полных солнечных затмений хорошо видны внешние области атмосферы Солнца — хромосфера (розового цвета) и серебристо-жемчужная корона . Яркость хромосферы и короны во много раз меньше яркости фотосферы. Из-за рассеяния солнечного света в земной атмосфере эти слабосветящиеся внешние оболочки не удается видеть вне затмения без специальных приспособлений.
Хромосфера простирается до высоты 10—14 тыс. км. В ее самых нижних слоях температура около 5000 К, а затем, по мере подъема над фотосферой, она начинает постепенно расти, достигая в верхних слоях атмосферы (2•10 4 — 5•10 4 ) К.
Рис. 72. Участок хромосферы над солнечным пятном.
Внезатмения хромосферу можно наблюдать, если выделить очень узкий участок спектра и получить изображение Солнца в монохроматическом свете, длина волны которого соответствует какой-нибудь одной спектральной линии, например, водородной линии Нα. Тогда можно увидеть, что хромосфера состоит из темных и светлых узелков, образующих сетку. Размеры ячеек хромосферной сетки значительно превосходят размеры гранул фотосферы, достигая 30 — 50 тыс. км. Яркость хромосферы неодинакова. Наиболее яркие ее участки ( хромосферные факелы ) расположены над фотосферными факелами и пятнами (рис. 72).
В хромосфере наблюдаются самые мощные и быстро развивающиеся процессы, называемые вспышками . В ходе развития вспышки сначала увеличивается яркость небольшого участка хромосферы, но затем становится яркой область, охватывающая десятки миллиардов квадратных километров (рис. 73). Слабые вспышки исчезают через 5—10 мин, а самые мощные продолжаются несколько часов. Небольшие вспышки происходят на Солнце по нескольку раз в сутки, мощные наблюдаются значительно реже. Обычно вспышки появляются над пятнами, особенно над теми, которые быстро изменяются. По характеру явления (стремительность развития, огромное энерговыделение — до 10 25 — 10 26 Дж) вспышки представляют собой взрывные процессы, при которых освобождается энергия магнитного поля солнечных пятен. Вспышки сопровождаются мощным ультрафиолетовым, рентгеновским и радиоизлучением. В межпланетное пространство выбрасываются электрически заряженные частицы ( корпускулы ).
Рис. 73. Развитие солнечной вспышки.
Рис. 74. Протуберанец на Солнце.
На краю солнечного диска хорошо видны протуберанцы (рис. 74) — гигантские яркие выступы или арки, как бы опирающиеся на хромосферу и врывающиеся в солнечную корону. Спокойные протуберанцы существуют несколько недель и даже месяцев. Вещество протуберанцев поглощает и рассеивает идущее снизу излучение, а потому, проецируясь на яркий диск Солнца, протуберанцы выглядят как темные волокна. В отличие от спокойных протуберанцев, часто наблюдаются протуберанцы, для которых характерны очень быстрые движения и выбросы веществ в корону.
3. Солнечная корона. Внутренние области короны , удаленные от фотосферы на расстояние до одного радиуса Солнца, можно наблюдать не только во время солнечных затмений, но и вне затмения с помощью коронографа — специального телескопа, в фокусе объектива которого ставится зачерненный диск («искусственная Луна»). Коронографы устанавливают в горах на высоте не ниже 2000 м над уровнем моря, где солнечное излучение значительно меньше рассеивается земной атмосферой.
Рис. 75. Вид Солнца во время полного затмения.
Рис. 76. Изменение вода солнечной короны.
Форма короны не остается постоянной (рис. 76). В годы, когда на поверхности Солнца много пятен, корона почти круглая. Когда же пятен мало, корона сильно вытянута в плоскости экватора Солнца. Корона неоднородна: в ней наблюдаются лучи, дуги, отдельные сгущения вещества, полярные «щеточки» (короткие прямые лучи, наблюдаемые у полюсов) и т. д. Детали короны неразрывно связаны с пятнами и факелами, а также с явлениями, происходящими в хромосфере. Все детали короны вращаются с той же угловой скоростью, что и расположенные под ними участки фотосферы.
Как далеко простирается корона? По фотографиям, полученным во время затмений, корону удается проследить на расстоянии до нескольких солнечных радиусов от края Солнца. Отдельные выбросы солнечной плазмы, которые как бы входят в состав сверхкороны Солнца, достигают земной орбиты. Сверхкорона была открыта радиоастрономическими методами. Огромная протяженность короны объясняется большими скоростями входящих в нее частиц, а значит, и высокой температурой короны. Этот вывод подтверждает исследование спектра короны. Ряд линий в спектре короны оставался загадочным вплоть до 40-х гг. Оказалось, что эти линии принадлежат многократно ионизованным атомам хорошо известных на Земле элементов, например атомам железа, лишенным 13 электронов. Такая высокая ионизация в очень разреженном веществе короны возможна при температуре не менее 10 6 К. Следовательно, наблюдая корону, можно изучать в космической лаборатории высокотемпературную разреженную плазму в естественных условиях.
Поскольку средняя температура фотосферы около 6000 К, то она своим излучением не может нагреть солнечную корону до более высокой температуры. Согласно одной из гипотез, конвективные движения газа внутри Солнца создают сжатия и разрежения (волны), которые переносят энергию из внутренних слоев Солнца в его атмосферу. Энергия волнового движения нагревает вещество хромосферы и короны. Разреженный газ хромосферы и короны излучает мало и, получая большой приток энергии снизу, сильно нагревается.
4. Солнечная активность. Комплекс нестационарных образований в атмосфере Солнца (пятна, факелы, протуберанцы, вспышки и др.) называется солнечной активностью. Так, солнечные пятна всегда связаны с фотосферными факелами, вспышки и протуберанцы в большинстве случаев образуются над «возмущенной» фотосферой и т. д. Области на Солнце, где наблюдаются пятна, факелы, вспышки, протуберанцы и другие проявления солнечной активности, называются активными областями (или центрами активности). Как мы видели, центры активности, зарождаясь на некоторой глубине под фотосферой, простираются далеко в солнечную корону. Связующее звено между различными ярусами центров активности — магнитное поле.
Не только появление пятен, но и солнечная активность в целом имеет 11-летнюю цикличность. В годы максимума солнечной активности на Солнце много центров активности ( возмущенное Солнце). В годы минимума центров активности мало ( спокойное Солнце). Необычным был максимум предыдущего (22-го) цикла солнечной активности. Он отличался высокой активностью (в частности, большим числом пятен) и продолжительностью (растянутостью на несколько лет — примерно с 1989 по 1992 г .).
Источник
Строение и атмосфера Солнца. Солнечный ветер
Из чего состоит Солнце, почему мы не видим солнечную корону и что такое солнечный ветер
Солнце языком цифр
Солнце, несмотря на то, что числится по классификации звезд “желтым карликом” так велико, что нам даже сложно представить. Когда мы говорим, что масса Юпитера – это 318 масс Земли, это кажется невероятным. Но когда мы узнаем, что 99,8% массы всего вещества Солнечной системы приходится на Солнце – это просто выходит за рамки понимания.
За прошедшие годы мы немало узнали о том как устроена “наша” звезда. Хотя человечество не изобрело (и вряд ли когда-то изобретет) исследовательский зонд, способный физически приблизиться к Солнцу и взять пробы его вещества, мы итак неплохо осведомлены об его составе.
Сравнение размеров Солнца с размерами планет Солнечной системы
Знание физики и возможности спектрального анализа дают нам возможность точно сказать, из чего состоит Солнце: 70% от его массы составляет водород, 27% – гелий, другие элементы (углерод, кислород, азот, железо, магний и другие) – 2,5%.
Однако, только этой сухой статистикой наши знания, к счастью, не ограничиваются.
Что находится внутри Солнца
Согласно современным расчетам температура в недрах Солнца достигает 15 – 20 миллионам градусов Цельсия, плотность вещества звезды достигает 1,5 грамма на кубический сантиметр.
Источник энергии Солнца – постоянно идущая ядерная реакция, протекающая глубоко под поверхностью, благодаря которой и поддерживается высокая температуру светила. Глубоко под поверхностью Солнца водород превращается в гелий в следствии ядерной реакции с сопутствующим выделением энергии. “Зона ядерного синтеза” Солнца называется солнечным ядром и имеет радиус примерно 150—175 тыс. км (до 25 % радиуса Солнца). Плотность вещества в солнечном ядре в 150 раз превышает плотность воды и почти в 7 раз – плотность самого плотного вещества на Земле: осмия.
Ученым известны два вида термоядерных реакций протекающих внутри звезд: водородный цикл и углеродный цикл. На Солнце преимущественно протекает водородный цикл, который можно разбить на три этапа:
ядра водорода превращаются в ядра дейтерия (изотоп водорода)
ядра водорода превращаются в ядра неустойчивого изотопа гелия
продукты первой и второй реакции связываются с образованием устойчивого изотопа гелия (Гелий-4).
Каждую секунду в излучение превращаются 4,26 миллиона тонн вещества звезды, однако по сравнению с весом Солнца, даже это невероятное значение так мало, что им можно пренебречь.
Внутреннее строение недр Солнца: ядро, зона конвекции, фото и хромосфера, солнечная корона
Выход тепла из недр Солнца совершается путем поглощения электромагнитного излучения, приходящего снизу и его дальнейшего переизлучения.
Ближе к поверхности солнца излучаемая из недр энергия переносится преимущественно в зоне конвекции Солнца с помощью процесса конвекции – перемешивании вещества (теплые потоки вещества поднимаются ближе к поверхности, холодные же опускаются). Зона конвекции залегает на глубине около 10% солнечного диаметра и доходит почти до поверхности звезды.
Атмосфера Солнца
Выше зоны конвекции начинается атмосфера Солнца, в ней перенос энергии снова происходит с помощью излучения.
Фотосферой называют нижний слой солнечной атмосферы – видимую поверхность Солнца. Её толщина соответствует оптической толщине приблизительно в 2/3 единицы, а в абсолютных величинах фотосфера достигает толщины 100-400 км. Именно фотосфера является источником видимого излучения Солнца, температура составляет от 6600 К (в начале) до 4400 К (у верхнего края фотосферы).
На самом деле Солнце выглядит как идеальный круг с четкими границами только потому, что на границе фотосферы его яркость падает в 100 раз за менее чем одну секунду дуги. За счет этого края Солнечного диска заметно менее ярки нежели центр, их яркость всего 20% от яркости центра диска.
Хромосфера – второй атмосферный слой Солнца, внешняя оболочка звезды, толщиной около 2000 км, окружающая фотосферу. Температура хромосферы увеличивается с высотой от 4000 до 20 000 К. Наблюдая Солнце с Земли, мы не видим хромосферу из-за малой плотности. Её можно наблюдать только во время солнечных затмений – интенсивное красное свечение вокруг краев солнечного диска, это и есть хромосфера звезды.
Солнечная корона – последняя внешняя оболочка солнечной атмосферы. Корона состоит из протуберанцев и энергетических извержений, исходящих и извергающихся на несколько сотен тысяч и даже более миллиона километров в пространство, образуя солнечный ветер. Средняя корональная температура составляет до 2 млн К, но может доходить и до 20 млн К. Однако, как и в случае с хромосферой – с земли солнечная корона видна только во время затмений. Слишком малая плотность вещества солнечной короны не позволяет наблюдать её в обычных условиях.
Солнечная корона во всей красе видна только по время солнечных затмений
Солнечный ветер
Солнечный ветер – поток заряженных частиц (протонов и электронов), испускаемых нагретыми внешними слоями атмосферы звезды, который простирается до границ нашей планетарной системы. Светило ежесекундно теряет миллионы тонн своей массы, из-за этого явления.
Около орбиты планеты Земля скорость частиц солнечного ветра достигает 400 километров в секунду (они перемещаются по нашей звездной системе со сверхзвуковой скоростью), а плотность солнечного ветра от нескольких до нескольких десятков ионизированных частиц в кубическом сантиметре.
Именно солнечный ветер нещадно “треплет” атмосферу планет, “выдувая” содержащиеся в ней газы в открытый космос, он же во многом ответственен за “хвосты” комет. Противостоять солнечному ветру Земле позволяет магнитное поле планеты, которое служит невидимой защитой от солнечного ветра и препятствует оттоку атомов атмосферы в открытый космос. При столкновении Солнечного ветра с магнитным полем планеты происходит оптическое явление, которое на Земле мы называем – полярное сияние, сопровождаемое магнитными бурями.
Впрочем, неоспорима и польза солнечного ветра – именно он “сдувает” из Солнечной системы и космическую радиацию галактического происхождения – а следовательно оберегает нашу звездную систему от внешних, галактических излучений.
Глядя на красоту полярных сияний, трудно поверить, что эти всполохи – видимый признак солнечного ветра и магнитосферы Земли
