Тема 3.1. Состав и строение Солнца

Учебные материалы к уроку

 

---

Строение Солнца

Солнце — центральное тело Солнечной системы — является типичным представителем звезд наиболее распространенных во Вселенной. Масса Солнца составляет 2х1030 кг.
Как и многие другие звезды, Солнце представляет собою огромный шар, который состоит из водородно-гелиевой плазмы.
Солнце излучает в космическое пространство колос­сальный поток излучения. Земля получает всего лишь ½ 000 000 000 долю солнечного излучения. Однако и этого достаточно, чтобы приводить в движение все процессы в земной атмосфере, управлять погодой и климатом на земном шаре.
Все источники энергии, которые использует человечество, связаны с Солнцем. Тепло и свет Солнца обеспечили развитие жизни на Земле, формирование месторождений угля, нефти и газа.
Количество приходящей от Солнца на Землю энергии принято характеризовать солнечной постоянной.

Солнечная постоянная - поток солнечного излучения, который приходит на поверхность площадью 1 м2 располо­женную за пределами атмосферы перпендикулярно солнечным лучам на среднем расстоянии Земли от Солнца (1 а. е.).
Солнечная постоянная равна 1,37 кВт/м2. Умножив эту величину на площадь поверхности шара, радиус которого 1 а. е., определим полную мощность излучения Солнца, его светимость, которая составляет 4*1026Вт.

Температура поверхности Солнца 6000 К (5 726º С). Очевидно, что такая тем­пература может поддерживаться лишь за счет постоянного притока энергии из недр Солнца, в недрах которого вот уже 5 млрд лет протекает термоядерная реакция, в ходе которой водород превращается в гелий. Реакция сопровождается выделением энергии.
Современные данные о хими­ческом составе Солнца таковы:
- водород около 70%
- гелий— более 28%
- прочие элементы — менее 2%

Вещество Солнца сильно ионизовано: атомы, потерявшие электроны своих внешних оболо­чек и ставшие ионами, вместе со свободными электронами образу ют плазму. Средняя плотность солнечного вещества соизмерима с плотностью воды.
Солнце находится в состоянии статического равновесия, Сила тяжести постоянно стремятся сжать Солнце, а силы внутреннего давления (термоядерные) противостоят этому.  Величина давления равно примерно в 1 млрд раз превосходит земное атмосферное давление.

Внутреннее строение Солнца:
- ядро — здесь при высоком давлении и температуре происходят термоядерные реакции
- лучистая зона - где энергия передается наружу от слоя к слою в результате последовательного поглощения и излуче­ния квантов
- конвективная зона - где энергия переносится в результате перемешивания (конвекции).

Атмосфера Солнца:

- фотосфера — по­верхность Солнца. Фотосфера состоит из отдельных зерен — гранул, размером до 1000 километров. Гранула — это поток горячего газа, поднимающийся вверх. В темных промежутках между гранулами находится более холодный газ, опускающийся вниз.
Каждая гранула существует всего 5—10 мин, затем на ее месте появляется новая, которая отличается от прежней по форме и размерам.
-  хромосфера — красновато-фиолетовое кольцо хромосферы можно видеть в те моменты, когда диск Солнца закрыт Луной во время полного солнечного затмения. В хромосфере вещество имеет температуру в 2—3 раза выше, чем в фотосфере. Здесь, как и внутри Солнца, оно представляет собой плазму, только меньшей плотности. Толщина хромосферы 10—15 тыс. км.

- солнечная корона — простирающаяся на миллионы километров область, где температура возрастает до 150 000 000ºС (!). Корону Солнца можно наблюдать во время полных солнечных затмений.

 

Потоки плазмы из короны («солнечный ветер») разлетаются по всей Солнечной системе. Скорость этих потоков в окрестностях Земли может достигать1000 км/с.

Солнечная активность

В атмосфере Солнца наблюдаются многообразные проявления солнечной активности, характер протекания которых определяется поведением солнечной плазмы в магнитном поле — пятна, вспышки, протуберанцы, корональные выбросы.

Наиболее известными из них являются солнечные пятна, открытые еще в XVII в. По изменению положения пятен на диске Солнца было обнаружено, что оно вращается. Время полного оборота вокруг оси 25-30 суток (на экваторе и на полюсах).

 

 

Пятна появляются там, где магнитное поле усиливается в несколько тысяч раз но сравнению с общим фоном. Вблизи пятен, где магнитное поле слабее, появляются хорошо заметные яркие образования — факелы.
Наиболее крупными но своим масштабам проявлениями солнечной активности являются наблюдаемые в солнечной короне протуберанцы — огромные по объему облака газа, масса которых может достигать миллиардов тонн. Отдельные части протуберанцев быстро устремляются вверх со скоростями нескольких сотен километров в секунду и поднимаются на огромную высоту (до 1 млн км).

 

Самыми мощными проявлениями солнечной активности являются вспышки, в процессе которых за несколько минут иногда выделяется энергия до миллиарда атомных бомб.
Продолжительность вспышек обычно около часа. По своей сути вспышка — это взрыв, вызванный внезапным сжатием солнечной плазмы.

Потоки плазмы через сутки достигают Земли. Взаимодействие такого облака с магнитосферой Земли вызывает магнитную бурю. Магнитные бури вызывают нарушения радиосигналов, влияет на прохождение тока в линиях электропередач.
Число пятен и протуберанцев, частота и мощность вспышек (т.е. активность Солнца) происходит с периодичностью в 11 лет.

 

 

Звезды и межзвездные расстояния

Солнце справедливо называют типичной звездой, но среди огромного многообразия звезд есть немало таких, которые значительно отличаются от нею по физическим характеристикам. Поэтому более полное представление о звездах дает такое определение:

Солнце существует уже несколько миллиардов лет и мало изменилось за это время, поскольку в его недрах все еще происходят термоядерные реакции, в результате которых из четырех протонов (ядер водорода) образуется альфа-частица (ядро гелия, состоящее из двух протонов и двух нейтронов).
Более массивные звезды расходуют запасы водорода значительно быстрее (за десятки миллионов лет). После того как водород израсходован, начинаются реакции между ядрами гелия с образованием устойчивого изотопа углерод-12 и другие реакции, продуктами которых являются кислород и тяжелые элементы (натрий, сера, магний и т. д.). Таким образом, в недрах звезд образуются ядра многих химических элементов, вплоть до железа.
У наиболее массивных звезд прекращение всех возможных термоядерных реакций сопровождается мощным взрывом, который наблюдается как вспышка сверхновой звезды.
Все элементы, которые входят в состав нашей планеты и всего живого на ней, образовались в результате термоядерных реакций, происходивших в звездах, поэтому звезды не только самые распространенные во Вселенной объекты, но и самые важные для понимания происходящих в ней явлений и процессов.

Именно термоядерные реакции являются характерной отличительной особенностью звезд от планет. Поэтому современное определение планеты формулируется так:

 

Годичный параллакс

Только в середине XIX в., когда телескопы были оборудованы приспособлениями для точных угловых измерений, удаюсь измерить параллактическое смещение у звезд.
Годичным параллаксом звезды называют угол (р), под которым со звезды можно было бы видеть большую полуось земной орбиты (равную 1 а. е.), перпендикулярную направлению на звезду.
Расстояние до звезды:
D = α / sin р

где α — большая полуось земной орбиты.

Заменив синус угла величиной самого угла, выраженной в радианной мере, и приняв α =1 а. е., получим следующую формулу для вычисления расстояния до звезды в астрономических единицах:

D = 206 265" / р

Расстояние до ближайшей звезды (α Центавра), параллакс которой p = 0,75'' составляет:
D = 206 265'' / 0,75'' = 270 000 а. е.

Поскольку такие огромные расстояния неудобно обозначать длинными цифрами, были введены единицы измерения космических расстояний – парсек (пк) и световой год (сг).

Световой год — эго такое расстояние, которое свет, распространяясь со скоростью 300 000 км/с. проходит за год (например, от α Центавра свет идет свыше 4 лет, от Солнца - 8 минут, а от Луны - 1 секунду).

1 пк  = 3,26 сг

Звезды, находящиеся на одинаковом расстоянии, могут отличаться по видимой яркости (светимости). Светимостью называется полная энергия, излучаемая звездой в единицу времени. Она выражается в единицах светимости Солнца.

 

---

 

---