Солнце — звезда солнечной системы
Солнце — центральная и единственная звезда Солнечной системы, вокруг которой обращаются другие объекты этой системы: планеты и их спутники, карликовые планеты и их спутники, астероиды, метеороиды, кометы и космическая пыль. Масса Солнца составляет 99,8% от суммарной массы всей Солнечной системы. Солнечное излучение поддерживает жизнь на Земле (фотоны необходимы для начальных стадий процесса фотосинтеза), определяет климат. Солнце состоит из водорода (
92% от объёма), гелия (
7% от объёма) и следующих, входящих в его состав в малых концентрациях, элементов: железа, никеля, кислорода, азота, кремния, серы, магния, углерода, неона, кальция и хрома. По спектральной классификации Солнце относится к типу G2V («жёлтый карлик»). Температура поверхности Солнца достигает 6000K, поэтому Солнце светит почти белым светом, но из-за более сильного рассеяния и поглощения коротковолновой части спектра атмосферой Земли прямой свет Солнца у поверхности нашей планеты приобретает некоторый жёлтый оттенок.
Центральная часть Солнца с радиусом примерно 150 000 километров, в которой идут термоядерные реакции, называется солнечным ядром. Плотность вещества в ядре составляет примерно 150 000 кг/м³ (в 150 раз выше плотности воды и в
6,6 раз выше плотности самого тяжёлого металла на Земле — осмия), а температура в центре ядра — более 14 миллионов градусов. Анализ данных, проведённый миссией SOHO, показал, что в ядре скорость вращения Солнца вокруг своей оси значительно выше, чем на поверхности. В ядре осуществляется протон-протонная термоядерная реакция, в результате которой из четырёх протонов образуется гелий-4. При этом каждую секунду в энергию превращаются 4,26 миллиона тонн вещества, однако эта величина ничтожна по сравнению с массой Солнца — 2·1027 тонн.
Солнечный спектр содержит линии ионизированных и нейтральных металлов, а также ионизированного водорода. В нашей галактике Млечный Путь насчитывается свыше 100 миллионов звёзд класса G2. При этом 85% звёзд нашей галактики — это звёзды, менее яркие, чем Солнце (в большинстве своём это красные карлики, находящиеся в конце своего цикла эволюции). Как и все звёзды главной последовательности, Солнце вырабатывает энергию путём термоядерного синтеза гелия из водорода.
Солнце находится на расстоянии около 26 000 световых лет от центра Млечного Пути и вращается вокруг него, делая один оборот примерно за 225—250 миллионов лет. Орбитальная скорость Солнца равна 217 км/с — таким образом, оно проходит один световой год за 1400 земных лет, а одну астрономическую единицу за 8 земных суток. В настоящее время Солнце находится во внутреннем крае Рукава Ориона нашей Галактики, между Рукавом Персея и Рукавом Стрельца, в так называемом «Местном межзвёздном облаке» — области повышенной плотности, расположенной, в свою очередь, в имеющем меньшую плотность «Местном пузыре» — зоне рассеянного высокотемпературного межзвёздного газа. Из звёзд, принадлежащих 50 самым близким звёздным системам в пределах 17 световых лет, известным в настоящее время, Солнце является четвёртой по яркости звездой (его абсолютная звёздная величина +4,83m).
Солнце принадлежит к первому типу звёздного населения. Одна из распространённых теорий возникновения Солнечной системы предполагает, что её формирование было вызвано взрывами одной или нескольких сверхновых звёзд. Это предположение основано, в частности, на том, что в веществе Солнечной системы содержатся аномально большая доля золота и урана, которые могли бы быть результатом эндотермических реакций, вызванных этим взрывом, или ядерного превращения элементов путём поглощения нейтронов веществом массивной звезды второго поколения.
Проходя сквозь атмосферу Земли, солнечное излучение теряет в энергии примерно 370 Вт/м², и до земной поверхности доходит только 1000 Вт/м². Эта энергия может использоваться в различных естественных и искусственных процессах. Так, растения с помощью фотосинтеза перерабатывают её в химическую форму — кислород и органические соединения. Прямое нагревание солнечными лучами или преобразование энергии с помощью фотоэлементов может быть использовано для производства электроэнергии или выполнения другой полезной работы. Путём фотосинтеза была в далёком прошлом получена и энергия, запасённая в нефти и других видах ископаемого топлива. Ультрафиолетовое излучение Солнца имеет антисептические свойства, позволяющие использовать его для дезинфекции воды и различных предметов. Оно также вызывает загар и имеет другие биологические эффекты — например, стимулирует производство в организме витамина D.
Наблюдаемый с Земли путь Солнца по небесной сфере изменяется в течение года. Путь, описываемый в течение года той точкой, которую занимает Солнце на небе в определённое заданное время, называется аналеммой и имеет форму цифры 8, вытянутой вдоль оси север-юг. Самая заметная вариация в видимом положения Солнца на небе — его колебание вдоль направления север-юг с амплитудой 47°. Существует также другая компонента этой вариации, направленная вдоль оси восток-запад и вызванная увеличением скорости орбитального движения Земли при её приближении к перигелию и уменьшением — при приближении к афелию. Первое из этих движений является причиной смены времён года.
Земля проходит через точку афелия в начале июля и удаляется от Солнца на расстояние 152 млн км., а через точку перигелия — в начале января и приближается к Солнцу на расстояние 147 млн км. Видимый диаметр Солнца между этими двумя датами меняется на 3 процента. Поскольку разница в расстоянии составляет примерно 5 млн. км., то в афелии Земля получает примерно на 7% меньше тепла. Таким образом, зимы в северном полушарии немного теплее, чем в южном, а лето немного прохладнее.
Солнце обладает сильным магнитным полем, напряжённость которого меняется со временем, и которое меняет направление приблизительно каждые 11 лет, во время солнечного максимума. Вариации магнитного поля Солнца вызывают разнообразные эффекты, совокупность которых называется солнечной активностью и включает в себя такие явления как солнечные пятна, солнечные вспышки, вариации солнечного ветра и т. д., а на Земле вызывает полярные сияния в высоких и средних широтах и геомагнитные бури, которые негативно сказываются на работе средств связи, средств передачи электроэнергии, а также негативно воздействует на живые организмы, вызывая у людей, чувствительных к магнитным бурям, головную боль и плохое самочувствие. Предполагается, что солнечная активность играет большую роль в формировании и развитии Солнечной системы. Она также оказывает влияние на структуру земной атмосферы.
Текущий возраст Солнца (точнее — время его существования на главной последовательности), оценённый с помощью компьютерных моделей звёздной эволюции, равен приблизительно 4,57 миллиарда лет. Считается, что быстрым сжатием под действием сил гравитации облака молекулярного водорода привело к образованию в нашей области Галактики звезды первого типа. Звезда такой массы, как Солнце, должна существовать на главной последовательности в общей сложности примерно 10 миллиардов лет. Таким образом, сейчас Солнце находится примерно в середине своего жизненного цикла. На современном этапе в солнечном ядре идут термоядерные реакции превращения водорода в гелий. Каждую секунду в ядре Солнца около 4 миллионов тонн вещества превращается в лучистую энергию, в результате чего генерируется солнечное излучение и поток солнечных нейтрино.
Красный гигант
Масса Солнца недостаточна для того, чтобы его эволюция завершилась взрывом сверхновой. Вместо этого, через 4-5 миллиардов лет оно превратится в звезду типа красный гигант. По мере того, как водородное топливо в ядре будет выгорать, внешняя оболочка красного гиганта будет расширяться, а ядро — сжиматься и нагреваться. Примерно через 7,8 миллиарда лет, когда температура в ядре достигнет приблизительно 100 миллионов градусов, в нём начнётся термоядерная реакция синтеза углерода и кислорода из гелия. На этой фазе развития температурные неустойчивости внутри Солнца приведут к тому, что оно начнёт терять массу и сбрасывать оболочку. По-видимому, расширяющиеся внешние слои Солнца в это время достигнут современной орбиты Земли. При этом исследования показывают, что ещё до этого момента потеря Солнцем массы приведёт к тому, что Земля перейдёт на более далёкую от Солнца орбиту и, таким образом, избежит поглощения внешними слоями солнечной плазмы.
Несмотря на это, вся вода на Земле перейдёт в газообразное состояние, а большая часть её атмосферы рассеется в космическое пространство. Увеличение температуры Солнца в период становления красным гигантом таково, что в течение следующих 500—700 миллионов лет поверхность Земли будет слишком горяча для того, чтобы на ней могла существовать жизнь в её современном понимании. В связи с этим, для выживания человечества станут несомненно актуальными межзвёздные полёты.
Белый карлик
После того, как Солнце пройдёт фазу красного гиганта, термические пульсации приведут к тому, что его внешняя оболочка будет сорвана и из неё образуется планетарная туманность. В центре этой туманности останется сформированная из очень горячего ядра Солнца звезда типа белый карлик, которая в течение многих миллиардов лет будет постепенно остывать и угасать. Такой сценарий эволюции Солнца типичен для звёзд малой и средней массы.
Источник
Жёлтые карлики: от вспышки до угасания
Желтыми карликами именуются звезды, имеющие вес, сопоставимый с весом нашего Солнца(± 20%) , которое также является желтым карликом. Кроме массы учитывается и температура поверхности звезды, она должна быть в пределах 4700-5700 тыс. градусов Цельсия.
Разумеется, что в разных слоях звезды температура может очень резко различаться. Так например, солнечная корона прогревается сильнее, около 1,5 млн.°С.
Время жизни таких звезд обычно не превышает 8-12 млрд. лет и их эволюция проходит особенно, отличаясь от эволюции звёзд меньшего размера и веса или звёзд-гигантов. В состав желтых карликов входят в основном водород и гелий в пропорциях: 75 к 25-ти. На самом деле водорода чуть меньше, так как около 2% состава Солнца занимают металлы и различные газы.
Солнце, сфотографированное в рентгеновских лучах. Фото: NASA/SDO/AIA/S. Wiessinger, Public domain, через Викисклад
О том, как зарождаются такие звезды мы можем судить по исследованиям ученых. Так например, Солнце образовалось из газо-пылевого межзвездного облака, раскинувшегося в пределах 2-3 св. лет. Вероятно, что облако, давшее Солнцу материалы — это остатки звезд, существовавших ранее.
Если взять все время с момента образования Вселенной, то Солнце — это звезда третьего поколения. Первое и второе были гигантами и сверхгигантами, которые быстро сожгли свои запасы водорода и взорвались сверхновыми.
Рассмотрим ситуацию на примере Солнца
Когда с гигантами было покончено, то их остатки сформировались в межзвездные облака. Под действием сил гравитации материал сжимался, организуясь в центре будущей звезды более плотно. Уплотнение сопровождалось нагревом газа до того момента, пока температура не достигла критического максимума, спровоцировавшего термоядерную реакцию.
Далее произошел сильный взрыв, воспламенивший новообразованную звезду. Часть строительных материалов разметало на расстоянии 1 св. года от центра, из чего впоследствии образовались планеты. Таким было рождение нашей Солнечной системы, и можно предполагать, что схожим образом рождаются и другие желтые карлики.
Источник
Желтый карлик — Солнце
Желтые карлики — это звезды главной последовательности массой от 0,8 до 1,2 Мс (масс Солнца).
Температура фотосферы (поверхностного слоя) звезд этого класса находится в диапазоне 5000-6000 градусов Кельвина в зависимости от массы и возраста.
Солнце является типичным желтым карликом. Так оно нами воспринимается на Земле. На самом деле, оно ослепительно белое, как излучение электросварки — об этом свидетельствовал советский космонавт Алексей Леонов, первым в истории космонавтики вышедший в открытый космос. Он сначала не задвинул солнцезащитную пленку на скафандр и на мгновение был ослеплен белым лучом Солнца. Атмосфера рассеивает и поглощает коротковолновой спектр сложного белого света, оставшийся видимый свет воспринимается нами как желтый.
История Солнца началась около 4,6 миллиарда лет назад. Предполагается, что мы принадлежим третьему поколению звездных систем в эволюции нашей Вселенной с момента Большого Взрыва. Изотопный анализ показывает, что вещество Солнца и солнечной системы составилось из молекулярного облака, образовавшегося из двух взрывов сверхновых, разбросавших вокруг вещество, содержащее водород, гелий, углерод, азот, кислород, железо и другие элементы. Часть этого вещества обособилось в некое газопылевое облако диаметром в несколько световых лет. Его масса составляла свыше 10^31 кг. Естественно, под действием столь большой массы происходит гравитационное сжатие этого облака. Гравитация согласно Эйнштейну искривляет пространство-время, поэтому частицы сжимающегося вещества перемещаются к центру облака не прямолинейно, а по спирали. Так зарождается вращение этого облака. Согласно закону сохранения импульса с уменьшением радиуса вращения растет его угловая скорость.
Под воздействием собственной гравитации облако сжалось в компактный вращающийся диск, в центре которого сформировалось будущее Солнце — газовый шар протосолнце. Гравитация сжимала протосолнце, тем самым разогревая его, и при температуре порядка 10 миллионов градусов Кельвина в центре системы началась реакция протон-протонного термоядерного синтеза. Аккреция диска прекратилась, когда сила солнечного ветра и центробежная сила вращения диска превзошли силу гравитации притягивания вещества диска к протосолнцу, и солнечный ветер — альфа-частицы, протоны и электроны — разогнал остатки материала по орбитам будущей Солнечной системы. В этой ситуации протосолнце стало Солнцем — звездой главной последовательности. Такова наиболее обобщенная модель зарождения Солнца и солнечной системы.
Солнце имеет несколько различных по свойствам сфер в своей структуре.
Во-первых, это ядро, в котором происходит в настоящее время термоядерный синтез гелия из водорода. Радиус ядра составляет примерно четверть радиуса Солнца, то есть около 170 тысяч километров.
Накопление гелия ведет к постепенному повышению температуры ядра. В настоящее время она составляет 15,7 миллионов градусов Кельвина. В процессе термоядерной реакции количество водорода уменьшается, гелиевые скопления ядра увеличиваются. Параллельно с этим уменьшается водородная реактивная часть объема ядра. Давление в реактивной части ядра от этого растет, что и ведет к повышению интенсивности термоядерного синтеза и его температуры. Расчеты показывают, что через 1,1 миллиард лет тепловое излучение Солнца увеличится на десять процентов, что приведет к росту температуры на поверхности Земли с нынешней средней 15 градусов Цельсия до 47.
Термоядерный синтез, происходящий в ядре, создает положительный энергобаланс, то есть выделяется энергии больше, чем затрачивается. Каждую секунду сгорает 4,26 миллионов тонн водорода, превращаясь в гелий. Так как масса Солнца 2х10^27 тонн, то этого добра хватает на 11 миллиардов лет.
Часть энергии, вырабатываемая в солнечном ядре, теряется практически впустую — в виде излучения нейтрино. Нейтрино не взаимодействует с барионным материалом, поэтому солнечное вещество для него прозрачно. Это излучение просто охлаждает солнечный котел. Кстати это свойство нейтрино и является причиной его открытия. Ученые думали-думали, а куда девается некая часть энергии? По расчетам должно быть столько, а излучается почему-то меньше. Вот и решили, что всему причиной являются некие нейтрино. Сейчас их пытаются изучать и даже найти им практическое применение.
Ну а полезная энергия солнечного ядра, которая дает нам жизнь и прочие блага, излучается в виде фотонов. Фотоны — это кванты электромагнитного излучения. Они различаются по длине волн.
Ядро своей энергией рождает самые высокоэнергичные коротковолновые фотоны — гамма-излучение. Гамма-фотоны из ядра попадают в следующую сферу солнечных недр — радиационную, называемую еще зоной лучистого переноса, толщина которой оценивается примерно в 350 тысяч километров. Это плотная плазма, температура которой составляет от 2 миллионов Кельвинов в наружной части до 7 миллионов Кельвинов во внутренней. Из-за высокой плотности — от 0,2 на поверхности до 20 г/см^3 в глубине — макроскопические конвективные перемещения вещества в этой сфере отсутствуют. Энергия переносится фотонами. В среднем условный фотон проходит эту зону за 170 тысяч лет. Фотон условен потому, что это в общем-то не один и тот же фотон, допустим, с именем А идет и идет через зону лучистого переноса. Он поглощается каким-то атомом плазмы, который от полученной энергии возбуждается и выделяет новый фотон Б и т. д. Происходит что-то вроде цепной реакции поглощений и выделений фотонов. Понятно, что к наружной поверхности зоны лучистого переноса основная часть фотонов доходит с потерями энергии, то есть увеличиваясь в длине волны и становясь уже рентгеновским излучением.
Следующая сфера — конвективная зона толщиной 200 тыс километров. Здесь уже температура и плотность плазмы недостаточна для возможности лучистого переноса энергии. Получив энергию фотонов из предыдущей зоны, вещество плазмы перемещается в наружную часть конвективной зоны к фотосфере, охлаждаясь до 5800 Кельвинов. Соответственно, и длины волн фотонов, которые излучает солнечное вещество из конвективной зоны, доходят до световых диапазонов. Передав энергию фотонов фотосфере, охлажденное вещество плазмы возвращается к поверхности зоны лучистого переноса, чтобы возобновить цикл. Вот так и идет круговорот плазмы в конвекционной зоне — это, собственно, и есть конвекция солнечного вещества.
Следующая зона — фотосфера имеет толщину порядка 100-400 километров. Само название дает понять, что это то, что мы видим на Солнце. Если, конечно, вооружимся солнцезащитным оборудованием. Так называемая эффективная температура фотосферы Солнца составляет 5780 Кельвинов. То есть это та температура, которую получает следующая зона хромосфера от фотосферы.
Хромосфера — относительно прозрачная разреженная зона толщиной от 2 000 до 20 000 километров. В этой сфере происходит разогрев вещества до 20 000 Кельвинов. При затмении Солнца эта сфера видится как красная, отсюда и название.
Также во время затмения мы наблюдаем внешнюю оболочку солнечной атмосферы — корону. Это выбросы солнечного вещества, так называемые протуберансы, порождаемые солнечным ветром и магнитными дугами, выходящими над поверхностью фотосферы. Температура верхней части короны достигает 1 500 000 миллионов Кельвинов. Соответственно отсюда солнечный луч получает рентгеновский диапазон излучения, из-за которого космос за пределами земной магнитосферы опасен для здоровья космонавтов.
Немного о магнетизме Солнца. Движение плазмы в конвективной зоне создает магнитные поля на поверхности фотосферы. Ведь плазма — это ионизированное вещество, движение заряженных частиц создает магнетизм, как известно. На поверхности фотосферы скапливается магнитный потенциал в виде так называемых солнечных пятен — затемненных участков.
Источник