Солнце — основные характеристики, состав и структура, эволюция и жизненный цикл

Солнце – главная причина существования жизни на Земле: наша планета получает необходимое количество тепла для жизни, становится возможными круговороты воды, ветров, течений в природе, растения осуществляют выработку кислорода – все это заслуга Солнца. Не зря, все древние народы главного бога ассоциировали именно с Солнцем, только благодаря ему возможно жизнь на Земле.

Общая характеристика

Для того, чтобы изучать далекие звезды, необходимо сначала изучить свою звезду, для того чтобы понимать, какие процессы могут происходить в далеких звездных системах.

Изучением Солнца люди занимаются испокон веков, узнавая все больше и больше полезной информации.

Солнце – это огромный газовый шар, диаметром ​\( 1,392*10^9 \)​ метров, что в 109 раз больше диаметра Земли. Какова же масса Солнца – сложно представить – ​\( 1,9885*10^{30} \)​ кг, это в 332 940 раз больше массы Земли.

На долю Солнца приходится 99,87% всей массы Солнечной системы, и лишь 0,13% на все объекты, включая планета, астероиды, карликовые планеты, кометы и т.д. При этом средняя плотность звезды чуть больше плотность воды – 1,409 г/см3.

Температура внутри солнечного ядра просто колоссальная – 15 700 000 Кельвинов. Эффективная температура поверхности Солнца «всего лишь» 5780 Кельвинов.

Фото Солнца
Фотография Солнца в ультрафиолете, изображение в «ложных цветах»

С Земли Солнце выглядит желтым, это связано с особенностями рассеивания атмосферы планеты. Но если посмотреть на закон Вина, то максимум излучения нашей звезды приходится на зеленый цвет.

Солнце находится на главной последовательности звезд и является желтым карликом. Это означает, что по размеру наша звезда не входит даже в первую сотню звезд. Существуют звезды, больше нашего Солнца в тысячи раз, как по массе, так и по размерам.

Все составляющие Солнечной системы обращаются вокруг Солнца по эллиптической орбите. Расстояние от Земли до Солнца меняется в течение года от 147 до 152 млн км. Среднее расстояние равно 149,6 млн километров или 8,31 световой минуты или 1 астрономической единице.

Размеры Солнца с других планет
Размеры Солнца при наблюдении из окрестностей разных тел Солнечной системы

В Млечном пути Солнце находится, можно сказать, на окраине. Расстояние до ядра галактики 26000 световых лет или ​\( 2,5*10^{20} \)​ метров. Так же Солнце не лежит в плоскости диска Млечного пути и находится на расстоянии 48 световых лет (​\( 4,6*10^{17} \)​ метров) от него. Скорость, с которой наша звезда (и мы вместе с ней) летим вокруг центра Млечного пути составляет 220 км/с. Один галактический год для Солнца равен ​\( 2,25-2,50*10^8 \)​ лет.

Помимо этого, Солнце совершает обороты вокруг собственной оси. Ближе к экватору скорость вращения больше, чем на полюсах. Один оборот на экваторе происходит за 25 дней, на полюсе – за 34 дня.

Главный источник невероятной энергии, что излучает Солнце – термоядерные реакции, когда водород превращается в гелий с выбросом энергии. Это и есть та энергия или свет, что излучает звезда.

Земля и Солнце
Земля и Солнце (фотомонтаж с сохранением соотношения размеров)

Таблица основных характеристик Солнца

Характеристика Солнца

Состав Солнца

Химический состав Солнца полностью отвечает его стадии эволюции, когда в его недрах «горит» водород. Он составляет основу Солнца, на него приходится 73,46% всей массы. Вторым составляющим элементом является гелий, как результат термоядерной реакции – его доля 24,85%.

Так же в состав Солнца входят и другие элементы, но их массовая доля меньше 1%

Химический состав Солнца

Строение Солнца

Солнце не просто разогретый до невероятной температуры газовый шар. Наша звезда имеет сложную внутреннюю структуру.

Структура Солнца
Строение Солнца

Внутреннее строение Солнца

Солнечное ядро

Ядро имеет радиус 173 тыс километров, что составляет 20% от всего радиуса звезды. Плотность ядра в 150 раз превосходит плотность воды при нормальных условиях.

Именно ядро является «печью» звезды, где проходят термоядерные реакции, когда четыре ядра атомов водорода (четыре протона) образуют гелий-4 с выбросом энергии. Остальные слои Солнца нагреваются уже от ядра. Мощность ядра равна ​\( 3,8*10^{26} \)​ Ватт, температура – 15 млн Кельвинов.

Скорость вращения вещества внутри ядра превосходит скорость вращения внешних оболочек Солнца вокруг своей оси.

Зона лучистого переноса

Эта зона занимает большую часть звезды от 0,2-,25 до 0,7 радиуса Солнца, если считать от центра. Нижней границей является слой, где начинается термоядерная реакция в ядре. Верхней – где начинается перемешивание вещества.

Водород в зоне лучистого переноса сжат под действием гравитации до такого состояния, что передача тепла путем конвекции (смены местами двух близлежащих протонов) просто невозможна. Так же водород имеет высокую теплопроводность, поэтому температура падает от 7 млн Кельвинов до 2 млн Кельвинов, от внутренних слоев к внешним. Это также мешает образованию конвекционных потоков.

Перенос тепла в этой зоне осуществляется за счет последовательных поглощений и излучений фотонов. При этом, направление движения вновь излученного фотона никак не связано с направлением поглощенного. Излученный фотон может «излучиться» обратно в сторону ядра. Таким образом, движение многократно переизлученного фотона от внутренних слоев к внешним может занимать 10-170 тысяч лет.

В ядре фотоны имеют энергию, соответствующую рентгеновскому излучению. Проходя зону лучистого переноса, переизлученный фотон теряет энергию, в сравнении с поглощенным. В связи с этим, на выходе из лучистой зоны фотоны могут обладать совершенно разной энергией, которая будет охватывать весь спектр длин волн, вместе с видимым светом.

Конвективная зона Солнца

Здесь плотность вещества существенно падает и передача энергии идет путем перемешивания вещества – конвекции. Толщина зоны равна 200 000 км. Здесь температура падает от 2 млн Кельвинов до 5800 Кельвинов.

Вещество в этой зоне нагревается от зоны лучистого переноса и двигается к поверхности. Там оно остывает и «опускается» обратно, тем самым происходит процесс конвекции и передачи тепла. Такие потоки восходящего «теплого» вещества, образуют на поверхности звезды гранулы. Скорость поднятия таких потоков равна 1-2 км/с, а время жизни гранул 10-15 минут.

Гранулы Солнца
Гранулы на поверхности Солнца

Атмосфера Солнца

Фотосфера

Нижний слой атмосферы, толщиной 100-400 километров. Именно фотосфера излучает видимый спектр излучения и формирует видимый «образ» Солнца.

Фотосфера оптически почти непрозрачна, поэтому перенос энергии происходит по средствам конвекции, образуя на поверхности Солнца гранулы.

Температура падает от 6600 до 4400 Кельвинов, средняя температура равняется 5772 Кельвина. Водород остается в нейтральном состоянии.

Фотосфера Солнца
Фотосфера — видимый диск Солнца.

Хромосфера

Внешняя оболочка Солнца, толщиной 10 000 километров. В хромосфере доминирует красная линия поглощения водорода, из-за чего возникает присутствует красный цвет поверхности, это связано с линиями поглощения водорода.

С поверхности хромосферы происходят выбросы плазмы – спикулы. Одновременно можно наблюдать 60-70 тысяч спикул. В хромосфере выделяют два слоя:

  • нижний – толщиной 1500 км, состоит из нейтрального водорода.
  • верхний – формируется из спикул, водород находится в ионизированном состоянии.

Температура хромосферы растет с высотой от 4000 до 20 000 Кельвинов. Увидеть хромосферу очень сложно из-за ее низкой плотности.

Хромосфера Солнца
Солнечное затмение 1999 года. Хромосфера видна в виде тонкой розовой полоски вокруг диска Луны. Вокруг хромосферы наблюдается Корона

Корона

Самая последняя, внешняя оболочка Солнца. Корона не имеет собственного слоя, а состоит из протуберанцев (конденсации вещества, которые поднимаются и удерживаются магнитным полем) и энергетических извержений.

Температуры короны равна 1-2 млн Кельвинов, идет активное излучение в ультрафиолете и рентгене. Земная атмосфера тормозит это излучение.

Солнечный ветер

Внешний слой короны является источником для потока ионизированных частиц, который истекает со скоростью 300-1200 км/с.  До Земли Солнечный ветер летит 2-3 дня.

Именно Солнечный ветер является причиной магнитных бурь на Земле и полярных сияний. Магнитное поле Земли является барьером для ионизированного потока, но не может остановить его на 100%.

За счет Солнечного ветра Солнце теряет ​\( 2-3*10^{-14} \)​ от своей массы, излучая при этом ​\( 1,3*10^{36} \)​ частиц в секунду.

Солнечный ветер
Искажение магнитного поля Земли под действием Солнечного ветра

Магнитное поле Солнца

Плазма Солнца имеет хорошую электропроводимость и в ней возникают электрические токи, которые порождают магнитное поле. Современные исследования показывают, что это магнитное поле генерируется в конвекционной зоне. Но есть теории, что в ядре и в зоне лучистого переноса существует более «древнее» магнитное поле, которое возникло вместе с Солнцем

Глобальное магнитное поле Солнца охватывает по масштабу всю звезду. В течение 22 лет магнитное поле Солнце полностью меняет свой знак на противоположный и возвращается обратно: магнитное поле на полюсах сначала становится равным нулю, затем снова начинает возрастать, но уже с другой полярностью.

Мелкомасштабные магнитные поля возникают локально и не отличается регулярностью. Их можно наблюдать по протуберанцам – когда струи плазмы выбрасываются вдоль линий локального магнитного поля.

Протуберанцы на Солнце
Выброс протуберанцев по линиям магнитного поля

Солнечная активность и солнечный цикл

Солнечные циклы характеризуются сменой полярности глобального магнитного поля. Солнечные пятна являются следствием такой смены.

Показателем Солнечной активности является число пятен образовавшихся на видимой стороне Солнца – число Вольфа.

Продолжительность Солнечных циклов не равна точно 11 годам, и может изменятся от 7 до 17 лет.

Условным «первым» циклом, считается цикл, максимум которого пришел на 1761 год. С тех пор им дают последовательные номера. Сейчас идет 25-й цикл, который начался в декабре 2019 года.

Жизненный цикл Солнца

Это, пожалуй, самый животрепещущий вопрос для человечества. Возраст Солнца составляет 4,5 млрд лет.

Формирование Солнца происходило из газопылевого облака, которое образовалось под действием сил гравитации. Из него возникла вся Солнечная система, включая планеты. В центре этого облака давление увеличивалось под действием гравитации, следовательно, возрастала и температура. Когда эти параметры достигли критических – начались термоядерные реакции.

Схема формирвоания протопланетного диска
Формирование Солнечной системы

Температура Солнца возрастает на 10% каждые миллиард лет. Вероятно, когда-то на Венера были условия, пригодные для жизни, а именно вода в жидком состоянии. Следовательно, в будущем, на Земле жизнь станет невозможной, из-за увеличение температуры.

Так как основной термоядерный синтез происходит за счет перерабатывания водорода в гелий – масса ядра уменьшается и водород выгорает. Через 6,5 млрд лет водород полностью закончится и начнется выгорание гелия. Но теперь эта реакция будет происходить в оболочке звезды. Процессы начнут раздувать звезду, против сил гравитации, и Солнце станет красным гигантом, достигнут размером орбиты Земли.

Через 110 млн лет закончится и гелий, внешние слои Солнца начнут спадать, обнажая ядро. После того, как все оболочки отделяться, на месте Солнца останется белый карлик, который по размеру будет равен размеру Земли, а его масса останется в два раза меньше нынешней массы Солнца.

В белых карликах уже не происходит никаких реакций, и то, что останется от Солнца начнет медленно остывать. Через 10 млрд лет карлик полностью остынет и станет черным карликом.

Эволюция Солнца
Жизненный цикл Солнца

Исследования Солнца

Солнце всегда вызывало огромный интерес. Его изучение началось очень давно. Начиная с перехода в гелиоцентрическую модель мира, про нашу звезду становилось все больше и больше информации.

Солнечные пятна, первые упоминания которых датируется 12 веком, стали связывать с климатическими явлениями на Земле. В 17 веке Кассини впервые оценил расстояние до Солнца.

Когда началась эпоха фотосъемки, и ее стали проводить не только в видимом диапазоне, стало возможным узнать химический состав Солнца. Далее стало известно, что энергию Солнце черпает из термоядерных реакций.

К Солнцу начали запускать зонды для более детальных снимком поверхности.

Солнечные затмения

Солнечные затмения, пожалуй, самое грандиозное событие на Земле во все времена. В древности, когда Солнце гасло посредине дня, этому приписывали божественное явление и предрекали разные хорошие или плохие события.

Из-за того, что угловые размеры Солнца и Луны удивительным образом совпадают, Солнечное затмение происходит, когда Луна проходит между Солнцем и Землей, закрывая для человечества светило.

Виды Солнечный затмений

Полное Солнечное затмение наблюдается, когда Солнечный диск полностью закрывает Луна. Тогда на некоторое время наступает темнота.

Кольцеобразное затмение происходит, когда луна находится в апогеи (дальше от Солнца), и ее угловой размер чуть меньше Солнечного. Тогда она не полностью закрывает Солнечный диск, оставляя тонкое кольцо.

Частичное затмение происходит, когда Луна лишь немного закрывает Солнце, проходя по его диску.

Частичные затмения могут происходит 2-5 раз в течение года для разных точек Земли. Полное Солнечное затмения для каждой конкретной точки планеты происходит очень редко.

Фото Солнечного затмения
Фото Солнечного затмения
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!:

Вставить формулу как
Блок
Строка
Дополнительные настройки
Цвет формулы
Цвет текста
#333333
Используйте LaTeX для набора формулы
Предпросмотр
\({}\)
Формула не набрана
Вставить
Adblock
detector