Из чего состоит Солнце?
Легко поверить, что Солнце является твердым телом, ведь его видимая поверхность кажется четко обозначенной сферой. Даже зная, что оно состоит из газов, вроде бы нет причин полагать Солнце отличным от других газовых гигантов внешней области Солнечной системы, чьи атмосферы глубиной в несколько тысяч километров ничтожно малы по сравнению с размерами самих планет.
Но Солнце уникально. Во время солнечного затмения можно обнаружить огромную постоянно движущуюся атмосферу, покрывающую расстояние, превышающее обычный диаметр Солнца в три или четыре раза. В другое время этот молочно-белый ореол из сверкающих газов не виден из-за яркости Солнца и дневного света земной атмосферы. Однако эта внешняя атмосфера, корона, – один из множества слоев, составляющих сложную структуру нашей ближайшей звезды.
Солнце – это огромный шар из газов, среди которых преобладает водород (самый легкий газ во Вселенной) и присутствует небольшое количество других элементов, в частности гелия. Внутри Солнца температура настолько высокая, что молекулы водорода расщепляются на атомы, которые, в свою очередь, расщепляются на положительно заряженные протоны (ядра атомов водорода) и отрицательно заря женные электроны.
Для этих процессов необходимы огромное давление (в 340 млрд раз превышающее атмосферное давление Земли на уровне моря) и температура около 15 млн °С, что обеспечивается ядром Солнца. Ядро испускает радиацию и создает достаточное давление, чтобы погасить естественную тенденцию Солнца разрушиться под действием собственной силы тяжести.
Радиация постепенно пробивается наружу, пока не достигает границ конвективной зоны приблизительно в двух третях пути до поверхности Солнца. Отсюда энергия поднимается наверх посредством конвекции. Здесь восходящие и нисходящие потоки газа пронизывают внутренние массы Солнца.
Видимую поверхность Солнца, его излучающий слой, называют фотосферой (от греческого phos – «свет»). Имея диаметр около 1,4 млн км и глубину всего несколько сотен километров, она расположена над конвективной зоной. Из этого слоя радиация может излучаться прямо в космос. Чтобы достичь Земли, ей нужно восемь минут. В результате тщательных исследовании на определенной длине волны света в фотосфере обнаружили ряд структур, от гранул (светлых, горячих конвективных ячеек) до темных солнечных пятен и факелов (ярких участков), в которых проявляется природа мощного и переменчивого магнитного поля Солнца. В фотосфере средняя температура составляет около 5500 °С, но факелы могут быть значительно горячее, а темные солнечные пятна – холоднее (около 2000 °С).
Большинство характерных явлений появляется и исчезает по графику с интервалом от нескольких минут до недель, но общий уровень активности меняется по мере приближения Солнца к своему циклу активности, длящемуся около 11 лет.
Над фотосферой находится хромосфера (от греческого chroma – «цвет»). Ее глубина составляет около 2000 км, она горячее и прозрачнее фотосферы. Наблюдения за Солнцем в линии аш-альфа выявили, что хромосфера очень активна. В ней постоянно происходят горячие выбросы, напоминающие столбы пламени и называемые спикулами. Красноватые витки плотного прохладного газа называют протуберанцами, а темные линии, которые на самом деле являются проекцией протуберанцев на фотосферу, – волокнами.
Плотность газов во внешних слоях атмосферы Солнца быстро падает, а температура, резко повышаясь в тонком переходном слое, во внешней атмосфере, или короне, достигает 1-2 млн °С, в 200 раз превышая температуру видимой поверхности, фотосферы. Но корона не затмевает фотосферу, поскольку обладает низкой плотностью, равной одной миллиардной плотности атмосферы Земли на уровне моря. Механизм нагрева тонких газов короны до такой огромной температуры остается предметом дискуссии среди изучающих Солнце астрономов.
В течение солнечного цикла значительно меняются размер и яркость короны. На пике активности Солнце теряет из короны огромное количество вещества в виде солнечных вспышек и больших по размеру выбросов коронального вещества.
При этом в космос может выделяться больше миллиарда тонн вещества – в основном электрически заряженных субатомных частиц – со скоростью до 500 км в секунду. Через несколько дней, по достижении Земли, этот солнечный шторм может повредить электросети спутников. Он же вызывает на Земле невероятно красивое полярное сияние.
Считается, что корона растянулась над фотосферой более чем на миллион километров. Однако это расстояние не является границей солнечного влияния. Радиация и свет Солнца распространяются по всей Солнечной системе, а потоки частиц продолжают носиться со сверхзвуковой скоростью и за пределами орбиты Нептуна, самой далекой планеты нашей системы.
Источник
Из чего состоит Солнце
С Земли, Солнце выглядит как гладкий огненный шар, и до открытия комическим кораблём Galileo пятен на Солнце, многие астрономы считали, что оно идеальной формы без дефектов. Теперь мы знаем, что Солнце состоит из нескольких слоёв, как и Земля, каждый из которых выполняет свою функцию. Эта структура Солнца, похожая на массивную печь, является поставщиком всей энергии на Земле, необходимой для земной жизни.
Из каких элементов состоит Солнце?
Если бы у вас получилось разложить звезду на части, и сравнить составные элементы, вы бы поняли, что состав Солнца представляет собою 74% водорода и 24% гелия. Также, Солнце состоит из 1% кислорода, и оставшийся 1% — это такие химические элементы таблицы Менделеева, как хром, кальций, неон, углерод, магний, сера, кремний, никель, железо. Астрономы полагают, что элемент тяжелее гелия – это металл.
Протон-протонный цикл происходящий в недрах Солнца
Как появились все эти элементы Солнца? В результате Большого Взрыва появились водород и гелий. В начале становления Вселенной, первый элемент, водород, появился из элементарных частиц. Из-за большой температуры и давления условия во Вселенной были как в ядре звезды. Позже, водород синтезировался в гелий, пока во Вселенной была высокая температура, необходимая для протекания реакции синтеза. Существующие пропорции водорода и гелия, которые есть во Вселенной сейчас, сложились после Большого Взрыва и не изменялись.
Остальные элементы Солнца созданы в других звездах. В ядрах звезд постоянно происходит процесс синтеза водорода в гелий. После выработки всего кислорода в ядре, они переходят на ядерный синтез более тяжелых элементов, таких как литий, кислород, гелий. Многие тяжелые металлы, которые есть в Солнце, образовывались и в других звездах в конце их жизни.
Образование самых тяжелых элементов, золота и урана, происходило, когда звезды, во много раз больше нашего Солнца, детонировали. За доли секунды образования черной дыры, элементы сталкивались на большой скорости и образовывались самые тяжелые элементы. Взрыв раскидал эти элементы по всей Вселенной, где они помогли образоваться новым звездам.
Наше Солнце собрало в себя элементы, созданные Большим Взрывом, элементы от умирающих звезд и частицы появившихся в результате новых детонаций звезд.
Из каких слоев состоит Солнце
На первый взгляд, Солнце — просто шар, состоящий из гелия и водорода, но при более глубоком изучении видно, что оно состоит из разных слоев. При движении к ядру, температура и давление увеличиваются, в результате этого были созданы слои, так как при различных условиях водород и гелий имеют разные характеристики.
Графическое представление слоев Солнца
Солнечное ядро
Начнем наше движение по слоям от ядра к наружному слою состава Солнца. Во внутреннем слое Солнца – ядре, температура и давление очень высокие, способствующие для протекания ядерного синтеза. Солнце создает из водорода атомы гелия, в результате этой реакции образуется свет и тепло, которые доходят до Земли. Принято считать, что температура на Солнце около 13,600,000 градусов по Кельвину, а плотность ядра в 150 раз выше плотности воды.
Ученые и астрономы считают, что ядро Солнца достигает около 20% длины солнечного радиуса. И внутри ядра, высокая температура и давление способствуют разрыву атомов водорода на протоны, нейтроны и электроны. Солнце преобразовывает их в атомы гелия, не смотря на их свободно плавающее состояние.
Такая реакция называется экзотермической. При протекании этой реакции выделяется большое количество тепла, равное 389 х 10 31 дж. в секунду.
Радиационная зона Солнца
Эта зона берет свое начало у границы ядра (20% солнечного радиуса), и достигает длины до 70% радиуса Солнца. Внутри этой зоны находится солнечное вещество, которое по своему составу достаточно плотное и горячее, поэтому тепловое излучение проходит через него, не теряя тепло.
Внутри солнечного ядра протекает реакция ядерного синтеза – создание атомов гелия в результате слияния протонов. В результате этой реакции происходит большое количество гамма-излучения. В данном процессе испускаются фотоны энергии, затем поглощаются в радиационной зоне и испускаются различными частицами вновь.
Траекторию движения фотона принято называть «случайным блужданием». Вместо движения по прямой траектории к поверхности Солнца, фотон движется зигзагообразно. В итоге, каждому фотону необходимо примерно 200.000 лет для преодоления радиационной зоны Солнца. При переходе от одной частицы к другой частице происходит потеря энергии фотоном. Для Земли это хорошо, ведь мы бы могли получать лишь гамма-излучение, идущее от Солнца. Фотону, попавшему в космос необходимо 8 минут для путешествия к Земле.
Большое количество звезд имеют радиационные зоны, и их размеры напрямую зависит от масштаба звезды. Чем меньше звезда, тем меньше будут зоны, большую часть которой будет занимать конвективная зона. У самых маленьких звезд могут отсутствовать радиационные зоны, а конвективная зона будет достигать расстояние до ядра. У самых больших звезд ситуация противоположная, радиационная зона простирается до поверхности.
Конвективная зона
Конвективная зона находится снаружи радиационной зоны, где внутреннее тепло Солнца перетекает по столбам горячего газа.
Почти все звезды имеют такую зону. У нашего Солнца она простирается от 70% радиуса Солнца до поверхности (фотосферы). Газ в глубине звезды, у самого ядра, нагреваясь, поднимается на поверхность, как пузырьки воска в лампадке. При достижении поверхности звезды, происходит потеря тепла, при охлаждении газ обратно погружается к центру, за возобновлением тепловой энергии. Как пример, можно привезти, кастрюля с кипящей водой на огне.
Поверхность Солнца похожа на рыхлую почву. Эти неровности и есть столбы горячего газа, несущие тепло к поверхности Солнца. Их ширина достигает 1000 км, а время рассеивания достигает 8-20 минут.
Астрономы считают, что звезды маленькой массы, такие как красные карлики, имеющие только конвективную зону, которая простирается до ядра. У них отсутствует радиационная зона, что нельзя сказать о Солнце.
Фотосфера
Единственный видимый с Земли слой Солнца – фотосфера. Ниже этого слоя, Солнце становится непрозрачным, и астрономы используют другие методы для изучения внутренней части нашей звезды. Температуры поверхности достигает 6000 Кельвин, светится желто-белым цветом, видимым с Земли.
Атмосфера Солнца находится за фотосферой. Та часть Солнца, которая видна во время солнечного затмения, называется короной.
Строение Солнца в диаграмме
NASA специально разработало для образовательных потребностей схематическое изображение строения и состава Солнца с указанием температуры для каждого слоя:
- (Visible, IR and UV radiation) – это видимое излучение, инфракрасное излучение и ультрафиолетовое излучение. Видимое излучение – это свет, которые мы видим приходящим от Солнца. Инфракрасное излучение – это тепло, которое мы ощущаем. Ультрафиолетовое излучение – это излучение, дающее нам загар. Солнце производит эти излучения одновременно.
- (Photosphere 6000 K) – Фотосфера – это верхний слой Солнца, поверхность его. Температура 6000 Кельвин равна 5700 градусов Цельсия.
- Radio emissions (пер. Радио эмиссия) – Помимо видимого излучения, инфракрасного излучения и ультрафиолетового излучения, Солнце отправляет радио эмиссию, которую астрономы обнаружили с помощью радиотелескопа. В зависимости от количества пятен на Солнце, эта эмиссия возрастает и снижается.
- Coronal Hole (пер. Корональная дыра) – Это места на Солнце, где корона имеет небольшую плотность плазмы, в результате она темнее и холоднее.
- 2100000 К (2100000 Кельвин) – Радиационная зона Солнца имеет такую температуру.
- Convective zone/Turbulent convection (пер. Конвективная зона/Турбулентная конвекция) – Это места на Солнце, где тепловая энергия ядра передается с помощью конвекции. Столбы плазмы доходят до поверхности, отдают своё тепло, и вновь устремляются вниз, чтоб вновь нагреться.
- Coronal loops (пер. Корональные петли) – петли, состоящие из плазмы, в атмосфере Солнца, движущиеся по магнитным линиям. Они похожи на огромные арки, простирающиеся от поверхности на десятки тысяч километров.
- Core (пер. Ядро) – это солнечное сердце, в котором происходит ядерный синтез, при помощи высокой температуры и давления. Вся солнечная энергия происходит из ядра.
- 14,500,000 К (пер. 14,500,000 Кельвин) – Температура солнечного ядра.
- Radiative Zone (пер. Радиационная зона) – Слой Солнца, где энергия передается при помощи радиации. Фотон преодолевает радиационную зону за 200.000 и выходит в открытый космос.
- Neutrinos (пер. Нейтрино) – это ничтожно маленькие по массе частицы, исходящие из Солнца в результате реакции ядерного синтеза. Сотни тысяч нейтрино проходят через тело человека ежесекундно, но никакого вреда нам не приносят, мы их не чувствуем.
- Chromospheric Flare (пер. Хромосферная вспышка) – Магнитное поле нашей звезды может закручиваться, а потом резко разрывается в различных формах. В результате разрывов магнитных полей появляются мощные рентгеновские вспышки, исходящие из поверхности Солнца.
- Magnetic Field Loop (пер. Петля магнитного поля) – Магнитное поле Солнца находится над фотосферой, и видно, так как раскаленная плазма движется по магнитным линиям в атмосфере Солнца.
- Spot– A sunspot (пер. Солнечные пятна) – Это места на поверхности Солнца, где магнитные поля проходят через поверхность Солнца, и на них температура ниже, часто в виде петли.
- Energetic particles (пер. Энергичные частицы) – Они исходят из поверхности Солнца, в результате создается солнечный ветер. В солнечных бурях их скорость достигает скорости света.
- X-rays (пер. Рентгеновские лучи) – невидимые для глаза человека лучи, образующиеся во вспышек на Солнце.
- Bright spots and short-lived magnetic regions (пер. Яркие пятна и недолгие магнитные регионы) – Из-за перепада температур на поверхности Солнца появляются яркие и тусклые пятна.
Источник