Примерная температура внешних слоев солнца

§ 119. Температура внешних слоев Солнца

В § 108 было показано, что по интенсивности излучения тела можно судить о температуре внешних его слоев. Рассмотренные методы определения температуры были проиллюстрированы на примере Солнца (см.рис. 91).

Проанализируем результаты применения этих методов. Определяемая полным потоком излучения эффективная температура Солнца оказалась равной 5760°, в то время как положение максимума излучения в спектре Солнца соответствует температуре, определенной по закону Вина, около 6750°. Относительное распределение энергии в различных участках спектра позволяет найти цветовые температуры, значение которых весьма сильно меняется даже в пределах одной только видимой области. Так, например, в интервале длин волн 4700-5400 Е цветовая температура составляет 6500°, а рядом в области длин волн 4300-4700 Е — около 8000°. В еще более широких пределах меняется по спектру яркостная температура, которая на участке спектра 1000-2500 Е возрастает от 4500° до 5000°, в зеленых лучах (5500 Е) близка к 6400°, а в радиодиапазоне метровых волн достигает миллиона градусов! Для наглядности все перечисленные результаты сведены в табл. 4.

Различие между данными, приведенными в табл. 4, имеет принципиальное значение и приводит к следующим важным выводам:

1. Излучение Солнца отличается от излучения абсолютно черного тела. В противном случае все значения температур, приведенные в табл. 4, были бы одинаковыми.

2. Температура солнечного вещества меняется с глубиной. Действительно, непрозрачность сильно нагретых газов неодинакова для различных длин волн. В ультрафиолетовых лучах поглощение больше, чем в видимых. Вместе с тем сильнее всего такие газы поглощают радиоволны. Поэтому радио-, ультрафиолетовое и видимое излучения соответственно относятся ко все более и более глубоким слоям Солнца. Учитывая наблюдаемую зависимость яркостной температуры от длины волны, получаем, что где-то вблизи видимой поверхности Солнца расположен слой, обладающий минимальной температурой (около 4500°), который можно наблюдать в далеких ультрафиолетовых лучах. Выше и ниже этого слоя температура быстро растет.

3. Из предыдущего следует, что большая часть солнечного вещества должна быть весьма сильно ионизована. Уже при температуре 5-6 тысяч градусов ионизуются атомы многих металлов, а при температуре выше 10-15 тысяч градусов ионизуется наиболее обильный на Солнце элемент — водород. Следовательно, солнечное вещество представляет собой плазму, т.е. газ, большинство атомов которого ионизовано. Лишь в тонком слое вблизи видимого края ионизация слабая и преобладает нейтральный водород.

Источник

Какая температура Солнца

Космическое пространство содержит огромное количество звёзд с разными характеристиками. Для землян самым основным светилом является Солнце. Оно даёт энергию, греет и радует душу. Но какова температура Солнца? Ответ на этот вопрос будет изучен в статье.

Интересные факты

В составе звезды присутствуют следующие элементы:

водород в количестве 70%;
гелий в содержании 28%;
металлические вещества и соединения – 2%.

Если бы этой звезды не существовало, жизни на Земле не было бы и не могло бы быть. Наши предки осознавали, насколько их жизнь зависит от «поведения» светила, поэтому нередко поклонялись ему и сравнивали его с божеством. С тех пор это стало существенным поводом для того, чтобы начать детальное изучение этого «огненного шара».

Изображение поверхности и короны Солнца, полученное Солнечным оптическим телескопом (SOT) на борту спутника Hinode. Получено 12 января 2007 года.

Многочисленные исследования, проведённые в научном мире, позволяют современным изыскателям заглянуть в далёкое прошлое. Возраст Солнца составляет 5 млрд. лет. Есть мнение, что спустя 4 млрд. лет его свечение станет более ярким, нежели сегодня. Науке также известен термин «солнечный цикл», которым характеризует минимальную и максимальную активность звезды Солнечной системы. В рамках нескольких последних циклов этот показатель увеличился на 0,1%.

О температурных значениях

Температура Солнца, особенно в центральной части звезды, является крайне высокой. Её значение составляет 14 млрд. градусов. Дело в том, что в ядерной части светила наблюдаются существенные термические реакции, при которых происходит деление ядер в условиях повышенного давления. Это провоцирует выделение одного ядра и вместе с ним огромного количества энергии.

Если изучать вопрос, какая температура на Солнце, с логической точки зрения, по мере углубления она должна становиться всё больше и больше, и происходит это резко. Однако определить точные показатели можно только в теории. Если рассматривать эти колебания послойно, можно сделать следующие отметки:

корона имеет среднюю температуру, составляющую 1 500 000 градусов;
ядро является наиболее «горячим», приблизительный показатель у его основания составляет 15 500 000 градусов по Цельсию;
поверхность около 5 500° С.

Но это неточный ответ на вопрос, какая температура на Солнце. Дело в том, что в настоящее время большое количество учёных из разных стран мира занимаются проведением исследований, в отношении определения строения светила. В земных условиях они не прекращают попыток формирования явления термоядерного синтеза для получения информации о поведении плазмы в естественных условиях.

Снимок Солнца 9 апреля 2013 года. Иллюстрация NASA/SDO.

Атмосферные особенности

Относительно невысокая в сравнении с ядром и короной температура на поверхности Солнца вызывает ещё больше вопросов, нежели ответов. Есть ли у звезды атмосфера? И каковы её условия?

На самом деле, толщина этого слоя составляет 500 км и именуется как фотосфера. В ней регулярно происходят конвекционные процессы. Вследствие их течения тепловые потоки постепенно переходят в фотосферу из самых низких ярусов. Солнце способно вращаться, но делает это не так, как любая другая планета, обращающаяся вокруг него. Оно является нетвёрдым, что создаёт определённые особенности его вращения. Аналогичные траектории и эффекты можно наблюдать у газовых гигантов.

Читайте также: Мысль не хуже солнца

Условия в фотосфере

Изучая вопрос, какая температура на поверхности Солнца, стоит изучить данный аспект. В фотосфере её среднее значение приравнивается к отметке 5,5 тыс. градусов по Цельсию. В таких условиях радиация превращается в видимый свет. Что касается пятен, они являются более холодными и тёмными, нежели в области, которая их окружает. В центральной части температурный режим может становиться более «щадящим», т. е. опускаться на несколько тысяч единиц.

Условия в хромосфере

Температура Солнца в градусах присутствует и в области хромосферы. Она представляет собой следующий атмосферный уровень, который считается более холодным и имеет температурный показатель в 4320 градусов. В связи с тем, что она включает в состав внушительное количество водорода, с виду кажется красной. Повышение температуры происходит в короне, которая может быть обнаружена при затмении, во время протекания плазмы наверх.

Показатель мощности Солнца составляет 386 млрд. мегаватт. Ежесекундно, даже в течение каждой секундной доли происходит превращение водорода в гелий и энергию (гамма-лучи). Наряду с этим происходит испускание потока низкой плотности, который именуется солнечным ветром и распространяется по всем сопровождающим Солнце планетам на скоростном режиме в 450 километров в секунду. В итоге потоки текут в космос и направляются, в том числе, в сторону Земли.

Таким образом, в статье было рассмотрено, какая температура Солнца в градусах в разных его частях и в основных атмосферных слоях.

Источник

Температура внутри и на поверхности Солнца в градусах по Цельсию

Солнце является сферой в основе Солнечной системы, состоящей из плазмы и газа. Около 91% газа представляет собой водород, за которым следует гелий. Солнце служит самым важным источником энергии для всех живых организмов на Земле. На него приходится 99,86% от общей массы Солнечной системы. Это самое яркое космическое тело, наблюдаемое на небе Земли, и температура Солнца сильно варьируется от ядра к поверхности звезды.

Ядро Солнца

В ядре Солнца гравитационное притяжение приводит к огромным температурам и давлению. Температура здесь может достигать 15 миллионов градусов по Цельсию. Атомы водорода в этой области сжимаются, и сливаются вместе для получения гелия в процессе, называемом ядерным синтезом. Ядерный синтез вырабатывает огромное количество энергии, которая излучается к поверхности Солнца и в впоследствии достигает Земли. Энергия от ядра проникает в конвективную зону.

Конвективная зона

Эта зона простирается на 200 000 км и приближается к поверхности. Температура в этой зоне опускается ниже 2 миллионов градусов Цельсия. Плотность плазмы достаточно низка, чтобы создать конвективные токи и транспортировать энергию к поверхности Солнца. Тепловые колонны зоны создают отпечаток на поверхности Солнца, придавая ему гранулированный вид, называемый супергрануляцией в самом большом масштабе и грануляцией в наименьшем масштабе.

Фотосфера

Фотосфера — это внешняя излучающая оболочка Солнца. Большая часть энергии этого слоя полностью вытекает из Солнца. Толщина слоя составляет от десятков до сотен километров, а солнечные пятна на нем темнее и прохладнее, чем окружающий регион. В основе больших солнечных пятен температура может составлять 4 000 градусов Цельсия. Общая температура фотосферы составляет приблизительно 5 500 градусов Цельсия. Энергия Солнца обнаруживается как видимый свет в фотосфере.

Хромосфера

Хромосфера является одним из трех основных слоев атмосферы Солнца и имеет толщину от 3000 до 5000 км. Она расположена прямо над фотосферой. Хромосфера обычно не видна, если нет полного затмения, в течение которого ее красноватый свет окружает лунный диск. Слой обычно не наблюдается без специального оборудования из-за яркости фотосферы. Средняя температура хромосферы составляет около 4 320 градусов по Цельсию.

Корона

Корона простирается на миллионы километров в космос и, как хромосфера, легко видна во время затмения. Температура короны может достигать 2 миллионов градусов Цельсия, и именно эти высокие температуры придают ей уникальные спектральные особенности. Когда она остывает, теряя как радиацию, так и тепло, вещество сдувается в виде солнечного ветра.

Важность энергии Солнца

Солнечная энергия позволяет растениям в процессе фотосинтеза вырабатывать собственную пищу, которая, в свою очередь, потребляется другими живыми существами. Солнечный свет дает зрение и нагревает воду. Он необходим для образования угля и нефтепродуктов, а также является важным фактором в формировании витамина D, который незаменим для роста костей в организме человека.

Источник

Температура внешних слоев Солнца

Температура — очень важная характеристика состояния вещества, от которой зависят основные его физические свойства. Ее определение — одна из труднейших астрофизических задач. Это связано как со сложностью существующих методов определения температуры, так и с принципиальной неточностью некоторых из них. За редким исключением, астрономы лишены возможности измерять температуру с помощью какого-либо прибора, установленного на самом исследуемом теле. Однако даже если бы это удалось сделать, во многих случаях тепло-измерительные приборы оказались бы бесполезными, так как их показания сильно отличались бы от действительного значения температуры. Термометр дает правильные показания только в том случае, когда он находится в тепловом равновесии с телом, температура которого измеряется. Поэтому для тел, не находящихся в тепловом равновесии, принципиально невозможно пользоваться термометром, и для определения их температуры необходимо применять специальные методы. Рассмотрим основные методы определения температур и укажем важнейшие случаи их применения.

Определение температуры по ширине спектральных линий. Этот метод основан на использовании формулы (7.43), когда из наблюдений известна доплеровская ширина спектральных линий излучения или поглощения. Если слой газа оптически тонкий (самопоглощения нет), а его атомы обладают только тепловыми движениями, то таким путем непосредственно получается значение кинетической температуры. Однако очень часто эти условия не выполняются, о чем прежде всего говорит отклонение наблюдаемых профилей от кривой Гаусса, изображенной на рис. 90. Очевидно, что в этих случаях задача определения температуры на основании профилей спектральных линий сильно усложняется.

Определение температуры на основании исследования элементарных атомных процессов, приводящих к возникновению наблюдаемого излучения. Этот метод определения температуры основан на теоретических расчетах спектра и сравнении их результатов с наблюдениями. Проиллюстрируем этот метод на примере солнечной короны. В ее спектре наблюдаются линии излучения, принадлежащие многократно ионизованным элементам, атомы которых лишены более чем десятка внешних электронов, для чего требуются энергии по крайней мере в несколько сотен электрон-вольт. Мощность солнечного излучения слишком мала, чтобы вызвать столь сильную ионизацию газа. Ее можно объяснить только столкновениями с энергичными быстрыми частицами, главным образом свободными электронами. Следовательно, тепловая энергия значительной доли частиц в солнечной короне должна равняться нескольким сотням электрон-вольт. Обозначая через е энергию, выраженную в электрон-вольтах и учитывая (7.13), имеем Т = 11 600 в.

Тогда энергию в 100 эв большинство частиц газа имеет при температуре более миллиона градусов.

Определение температуры на основании применения законов излучения абсолютно черного тела. На применении законов излучения абсолютно черного тела (строго говоря, справедливых только для термодинамического равновесия) к наблюдаемому излучению основан ряд наиболее распространенных методов определения температуры. Однако по причинам, упомянутым в начале этого параграфа, все эти методы принципиально неточны и приводят к результатам, содержащим большие или меньшие ошибки. Поэтому их применяют либо для приближенных оценок температуры, либо в тех случаях, когда удается доказать, что эти ошибки пренебрежимо малы. Начнем именно с этих случаев.

Оптически толстый, непрозрачный слой газа в соответствии с законом Кирхгофа дает сильное излучение в непрерывном спектре. Типичным примером могут служить наиболее глубокие слои атмосферы звезды. Чем глубже находятся эти слои, тем лучше они изолированы от окружающего пространства и тем ближе, следовательно, их излучение к равновесному. Поэтому для внутренних слоев звезды, излучение которых до нас совсем не доходит, законы теплового излучения выполняются с высокой степенью точности.

Совсем иначе обстоит дело с внешними слоями звезды. Они занимают промежуточное положение между полностью изолированными внутренними слоями и совсем прозрачными самыми внешними (имеется в виду видимое излучение). Фактически мы видим те слои, оптическая глубина которых не слишком сильно отличается от 1. Действительно, более глубокие слои хуже видны вследствие быстрого роста непрозрачности с глубиной, а самые внешние слои слабо излучают (напомним, что излучение оптически тонкого слоя пропорционально его оптической толщине). Следовательно, излучение, выходящее за пределы данного тела, возникает в основном в слоях. Иными словами, те слои, что мы видим, расположены на глубине, начиная с которой газ становится непрозрачным, Для них законы теплового излучения выполняются лишь приблизительно. Так, например, для звезд, как правило, удается подобрать такую планковскую кривую, которая, хотя и очень грубо, все же напоминает распределение энергии в ее спектре. Это позволяет с большими оговорками применить законы Планка, Стефана — Больцмана и Вина к излучению звезд.

Рассмотрим применение этих законов к излучению Солнца, На рис. 91 изображено наблюдаемое распределение энергии в спектре центра солнечного диска вместе с несколькими планковскими кривыми для различных температур. Из этого рисунка видно, что ни одна из них в точности не совпадает с кривой для Солнца. У последней максимум излучения выражен не так резко. Если принять, что он имеет место в длине волны _max = 4300 Å, то температура, определенная по закону смещения Вина, окажется равной Т (_шах ) = 6750°.

Полная энергия, излучаемая 1 см 2 поверхности Солнца, равна

e ¤ = 6,28×10 10 эрг/см 2 × сек.

Подставляя это значение в формулу (7.33) закона Стефана — Больцмана, получаем так называемую эффективную температуру

Итак, эффективной температурой тела называется температура такого абсолютно черного тела, каждый квадратный сантиметр которого во всем спектре излучает такой же поток энергии, как и 1 см 2 данного тела.

Аналогичным образом вводятся понятия яркостной и цветовой температуры. Яркостной температурой называется температура такого абсолютно черного тела, каждый квадратный сантиметр которого в некоторой длине волны излучает такой же поток энергии, как и данное тело в той же длине волны. Чтобы определить яркостную температуру, надо применить формулу Планка к наблюдаемой монохроматической яркости излучающей поверхности. Очевидно, что в различных участках спектра реальное тело может иметь различную яркостную температуру. Так, например, из рис. 91 видно, что кривая для Солнца пересекает различные планковские кривые, соответствующие температуры которых показывают изменение яркостной температуры Солнца в различных участках видимого спектра.

Определение яркостной температуры требует очень сложных измерений интенсивности излучения в абсолютных единицах. Гораздо проще определить изменение интенсивности излучения в некоторой области спектра (относительное распределение энергии).

Температура абсолютно черного тела, у которого относительное распределение энергии в некотором участке спектра такое же, как и у данного тела, называется цветовой температурой тела. Возвращаясь снова к распределению энергии в спектре Солнца, мы видим, что в области длин волн 5000-6000 Å наклон кривой для Солнца на рис. 91 такой же, как и у планковской кривой для температуры 7000° в той же области спектра.

Введенные выше понятия эффективной, яркостной и цветовой температуры являются таким образом лишь параметрами, характеризующими свойства наблюдаемого излучения. Чтобы выяснить, с какой точностью, и на какой глубине они дают представление о действительной температуре тела, необходимы дополнительные исследования

Проанализируем результаты. Определяемая полным потоком излучения эффективная температура Солнца оказалась равной 5760°, в то время как положение максимума излучения в спектре Солнца соответствует температуре, определенной по закону Вина, около 6750°. Относительное распределение энергии в различных участках спектра позволяет найти цветовые температуры, значение которых весьма сильно меняется даже в пределах одной только видимой области. Так, например, в интервале длин волн 4700-5400 Å цветовая температура составляет 6500°, а рядом в области длин волн 4300-4700 Å — около 8000°. В еще более широких пределах меняется по спектру яркостная температура, которая на участке спектра 1000-2500 Å возрастает от 4500° до 5000°, в зеленых лучах (5500 Å) близка к 6400°, а в радиодиапазоне метровых волн достигает миллиона градусов! Для наглядности все перечисленные результаты сведены в табл. 4.

1. Излучение Солнца отличается от излучения абсолютно черного тела.
В противном случае все значения температур, приведенные в табл. 4, были бы одинаковыми.

Из табл. 5 видно, что в недрах Солнца температура превышает 10 миллионов градусов, а давление — сотни миллиардов атмосфер (1 атм = 103 дин/см2). В этих условиях отдельные атомы движутся с огромными скоростями, достигающими, например, для водорода, сотен километров в секунду. Поскольку при этом плотность вещества очень велика, весьма часто происходят атомные столкновения. Некоторые из таких столкновений приводят к тесным сближениям атомных ядер, необходимым для возникновения ядерных реакций.

В недрах Солнца существенную роль играют две ядерные реакции. В результате одной из них, схематически изображенной на рис. 130, из четырех атомов водорода образуется один атом гелия. На промежуточных стадиях реакции образуются ядра тяжелого водорода (дейтерия) и ядра изотопа Не₃. Эта реакция называется протон-протонной.

Другая реакция в условиях Солнца играет значительно меньшую роль. В конечном счете она также приводит к образованию ядра гелия из четырех протонов. Процесс сложнее и может протекать только при наличии углерода, ядра которого вступают в реакцию на первых ее этапах и выделяются на последних. Таким образом, углерод является катализатором, почему и вся реакция носит названия углеродного цикла.

Исключительно важным является то обстоятельство, что масса ядра гелия почти на 1% меньше массы четырех протонов. Эта кажущаяся потеря массы называется дефектом массы и является причиной выделения в результате ядерных реакций большого количества энергии.

Описанные ядерные реакции являются источником энергии, излучаемой Солнцем в мировое пространство.

Так как наибольшие температуры и давление создаются в самых глубоких слоях Солнца, ядерные реакции и сопровождающее их энерговыделение наиболее интенсивно происходит в самом центре Солнца. Только здесь наряду с протон-протонной реакцией большую роль играет углеродный цикл. По мере удаления от центра Солнца температура и давление становятся меньше, выделение энергии за счет углеродного цикла быстро прекращается и вплоть до расстояния около
0,2-0,3 радиуса от центра существенной остается только протон-протонная реакция. На расстоянии от центра больше 0,3 радиуса температура становится меньше
5 миллионов градусов, а давление ниже 10 миллиардов атмосфер. В этих условиях ядерные реакции происходить совсем не могут. Эти слои только передают наружу излучение, выделившееся на большей глубине в виде гамма-квантов, которые поглощаются и переизлучаются отдельными атомами. Существенно, что вместо каждого поглощенного кванта большой энергии атомы, как правило, излучают несколько квантов меньших энергий. Происходит это по следующей причине. Поглощая, атом ионизуется или сильно возбуждается и приобретает способность излучать. Однако возвращение электрона на исходный энергетический уровень происходит не сразу, а через промежуточные состояния, при переходах между которыми выделяются кванты меньших энергий. В результате этого происходит как бы “дробление” жестких квантов на менее энергичные. Поэтому вместо гамма-лучей излучаются рентгеновские, вместо рентгеновских — ультрафиолетовые, которые в свою очередь уже в наружных слоях дробятся на кванты видимых и тепловых лучей, окончательно излучаемых Солнцем.

Та часть Солнца, в которой выделение энергии за счет ядерных реакций несущественно и происходит процесс переноса энергии путем поглощения излучения и последующего переизлучения, называется зоной лучистого равновесия. Она занимает область примерно от 0,3 до 0,7 r_¤ от центра Солнца. Выше этого уровня в переносе энергии начинает принимать участие само вещество, и непосредственно под наблюдаемыми внешними слоями Солнца, на протяжении около 0,3 его радиуса, образуется конвективная зона, в которой энергия переносится конвекцией.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник