Солнце. Внутреннее строение Солнца и процессы, происходящие в нем.

СОЛНЦЕ

11 класс астрономия

Базовый курс

• Солнце — это центр нашей планетной системы, основной ее элемент, без которого не было бы ни Земли, ни жизни на ней .

• Солнце — это объект, существующий, по человеческим меркам, очень давно. Его формирование началось примерно 5 миллиардов лет назад. Тогда на месте Солнечной системы находилось обширное молекулярное облако . Под воздействием сил гравитации в нем начали возникать завихрения, подобные земным смерчам. В центре одного из них вещество (в основном это был водород) начало уплотняться, и 4,5 млрд лет назад тут появилась молодая звезда , которая спустя еще продолжительный период времени получила имя Солнце. Вокруг него постепенно стали формироваться планеты — наш уголок Вселенной начал приобретать привычный для современного человека вид.

Зарождение

Характеристики Солнца

• Масса Солнца: 2∙1030 кг (332 946 масс Земли)

• Диаметр: 1 392 000 км

• Радиус: 696 000 км

• Средняя плотность: 1 400 кг/м3

• Наклон оси: 7,25° (относительно плоскости эклиптики)

• Температура поверхности: 5 780 К

• Температура в центре Солнца: 15 млн градусов

• Спектральный класс: G2 V

• Среднее расстояние от Земли: 150 млн. км

• Возраст: 5 млрд. лет

• Период вращения: 25,380 суток

• Светимость: 3,86∙1026 Вт

• Видимая звездная величина: 26,75m

Солнечная постоянная

• Со́лнечная постоя́нная — суммарная мощность солнечного излучения, проходящего через единичную площадку, ориентированную перпендикулярно потоку, на расстоянии одной астрономической единицы от Солнца вне земной атмосферы. По данным внеатмосферных измерений солнечная постоянная составляет 1367 Вт/м²

Масса Солнца

• Масса Солнца огромна. На ее долю приходится примерно 99% от массы всей планетной системы.

• Около сорока процентов этого числа сосредоточено в ядре. Оно занимает меньше трети солнечного объема. Диаметр ядра — 350 тысяч километров, этот же показатель для всего светила оценивается в 1,39 млн км.

• Солнце — это не уникальный объект. Его относят к классу желтых карликов, сравнительно небольших звезд главной последовательности. Срок «службы», отпущенный таким телам, составляет примерно 10 миллиардов лет. По меркам космоса, это совсем немного. Сейчас наше светило, можно сказать, в самом расцвете сил: еще не старое, уже не молодое — впереди еще полжизни
• Желтый карлик — это гигантский шар газа, источником света в котором являются термоядерные реакции, происходящие в ядре. В раскаленном сердце Солнца непрерывно идет процесс преобразования атомов водорода в атомы более тяжелых химических элементов. Пока эти реакции осуществляются, желтый карлик излучает свет и тепло.

Желтый карлик

• Когда выгорит весь водород, ему на смену придет другое вещество — гелий. Произойдет это примерно через пять миллиардов лет. Исчерпание водорода знаменует наступление новой стадии в жизни звезды. Она превратится в красного гиганта. Солнце начнет расширяться и займет все пространство вплоть до орбиты нашей планеты. При этом температура его поверхности снизится. Еще примерно через миллиард лет весь гелий в ядре превратится в углерод, и звезда сбросит свои оболочки. На месте Солнечной системы останется белый карлик и окружающая его планетарная туманность. Таков жизненный путь всех звезд, подобных нашему светилу.

Смерть звезды

Внутреннее строение солнца

• Внутреннее строение  Солнца  можно условно разделить на три зоны по характеру процессов, которые связаны с выделением и передачей энергии.

• Ядро – это центральная часть звезды. Оно имеет радиус 150 – 175 тыс. км, что составляет 20 – 25% солнечного радиуса. Ядро, по сути, является термоядерным реактором, ибо реакции такого типа в нём и происходят. Плотность ядра в 150 раз превышает плотность воды, а температура центра его больше 14 000 000° К. Скорость вращения звезды вокруг своей оси в ядре заметно выше, нежели на поверхности. Каждую секунду посредством термоядерной реакции в излучение обращаются 4,26 млн. тонн вещества. Но топлива солнечной кочегарки достаточно для нескольких миллиардов лет работы

Солнечное ядро

Зона лучистого переноса

• В этой зоне перенос энергии происходит главным образом с помощью излучения и поглощения фотонов. При этом направление каждого конкретного фотона, излучённого слоем плазмы, никак не зависит от того, какие фотоны плазмой поглощались, поэтому он может как проникнуть в следующий слой плазмы в лучистой зоне, так и переместиться назад, в нижние слои. Из-за этого промежуток времени, за который многократно переизлучённый фотон (изначально возникший в ядре) достигает конвективной зоны, может измеряться миллионами лет. В среднем этот срок составляет для Солнца 170 тыс. лет

Конвективная зона

• Следующую, внешнюю, область Солнца занимает конвективная зона.  Ближе к поверхности Солнца температуры и плотности вещества уже недостаточно для полного переноса энергии путём переизлучения. Возникает вихревое перемешивание плазмы, и перенос энергии к поверхности ( фотосфере ) совершается преимущественно движениями самого вещества.

• С одной стороны, вещество фотосферы, охлаждаясь на поверхности, погружается вглубь конвективной зоны. С другой стороны, вещество в нижней части получает излучение из зоны лучевого переноса и поднимается наверх, причём оба процесса идут со значительной скоростью. Такой способ передачи энергии называется конвекцией, а подповерхностный слой Солнца толщиной примерно 200 000 км, где она происходит, — конвективной зоной. По мере приближения к поверхности температура падает в среднем до 5800 К, а плотность газа до менее 1/1000 плотности земного воздуха.

• Хромосфера Солнца (цветная сфера) – плотный слой (10 000 км) солнечной атмосферы, который находится прямо за фотосферой. Хромосферу наблюдать достаточно проблематично, за счет ее близкого расположения к фотосфере. Лучше всего ее видно, когда Луна закрывает фотосферу, т.е. во время солнечных затмений.

• Солнечные протуберанцы – это огромные выбросы водорода, напоминающие светящиеся длинные волокна. Протуберанцы поднимаются на огромные расстояние, достигающие диаметра Солнца (1.4 млм км), двигаются со скоростью около 300 км/сек, а температура при этом, достигает 10 000 градусов.

Хромосфера Солнца

• Солнечная корона – внешние и протяженные слои атмосферы Солнца, берущие начало над хромосферой. Длина солнечной короны является очень продолжительной и достигает значений в несколько диаметров Солнца. На вопрос где именно она заканчивается, ученые пока не получили однозначного ответа.

• Состав солнечной короны – это разряженная, высоко ионизированная плазма. В ней содержатся тяжелые ионы, электроны с ядром из гелия и протоны. Температура короны достигает от 1 до 2ух млн градусов К, относительно поверхности Солнца.

Солнечная корона

• Солнечный ветер – это непрерывное истечение вещества (плазмы) из внешней оболочки солнечной атмосферы. В его состав входят протоны, атомные ядра и электроны. Скорость солнечного ветра может меняться от 300 км/сек до 1500 км/сек, в соответствии с процессами, происходящими на Солнце. Солнечный ветер, распространяется по всей солнечной системе и, взаимодействуя с магнитным полем Земли, вызывает различный явления, одним из которых, является северное сияние .

Солнечная активность

• Солнечная   активность  — комплекс явлений и процессов, связанных с образованием и распадом в  солнечной  атмосфере сильных магнитных полей. Наиболее изученный вид  солнечной   активности  (СА) — изменение числа  солнечных  пятен.

• Что же вызывает возникновение солнечной активности? Постепенно увеличивается магнитный поток в одной из областей фотосферы. Затем здесь увеличивается яркость в линиях водорода и кальция. Такие области называются флоккулами .

• Примерно в тех же участках на Солнце в фотосфере (т.е. несколько глубже) при этом также наблюдается увеличение яркости в белом (видимом) свете. Это явление называется  факелами .

• Увеличение энергии, выделяющееся в области факела и флоккула – следствие увеличившейся напряженности магнитного поля. Через 1-2 дня после появления флоккула в активной области возникают  солнечные пятна  в виде маленьких черных точек – пор. Многие из них вскоре исчезают, лишь отдельные поры за 2-3 дня превращаются в крупные темные образования. Типичное солнечное пятно имеет размеры в несколько десятков тысяч километров и состоит из темной центральной части (тени) и волокнистой полутени.

Характеристика солнечных пятен

• Самая главная особенность пятен – наличие в них сильных магнитных полей, достигающих наибольшей напряженности в области тени
• Магнитное поле как бы расширяет пятно изнутри и подавляет конвективные движения газа, переносящие энергию из глубины вверх. Поэтому в области пятна температура оказывается меньше примерно на 1000 К. Пятно является как бы охлажденной и скованной магнитным полем ямой в солнечной фотосфере.

• Чаще всего пятна возникают целыми группами, но в них выделяются два больших пятна. Одно, небольшое, - на западе, а другое, поменьше, - на востоке. Вокруг них и между ними часто бывает множество мелких пятен. Такая группа пятен называется биполярной, потому что у больших пятен всегда противоположная полярность магнитного поля. 

Солнечные вспышки

• Солнечные вспышки – самое мощное проявление солнечной активности. Они происходят в сравнительно небольших областях хромосферы и короны, расположенных над группами солнечных пятен. Проще говоря,  вспышки – это взрыв, вызванный   внезапным сжатием солнечной плазмы . Сжатие происходит под давлением магнитного поля и приводит к образованию длинного плазменного жгута в десятки и даже сотни тысяч километров. Количество энергии взрыва – от 10²³ Дж

• Наиболее грандиозными образованиями в солнечной атмосфере являются  протуберанцы . Это плотные облака газов, возникающие в солнечной короне или выбрасываемые в нее из хромосферы. Типичный протуберанец имеет вид гигантской светящейся арки, опирающейся на хромосферу и образованной струями и потоками более плотного, чем корона, вещества. Температура протуберанцев около 20 000 К.
• Размеры протуберанцев могут быть разными. Типичный протуберанец имеет высоту около 40 000 км и ширину около 200 000 км. Имеется множество типов протуберанцев

Протуберанцы

• Эпоху, когда количество центров активности наибольшее, считают максимумом солнечной активности. А когда их совсем или почти нет – минимумом. Максимумы и минимумы чередуются в среднем с периодом 11 лет – одиннадцатилетний цикл солнечной активности.

Влияние солнечной активности на жизнь на Земле

• По мнению  ученого Чижевского , магнитные бури образует именно Солнце. К такому выводу он пришел после изучения древнейших летописей, в которых ясно указывались факты беззащитности человека перед магнитными бурями (повышение солнечной активности). Сравнивая вспышки болезней среди населения, массовых смертей и периодов солнечных атак, прорисовался интересный факт – эти два момента взаимосвязаны. Вспышки эпидемий и солнечная активность тесно переплетены друг с другом, поэтому необходимо изучать Солнце для того, чтобы иметь возможность защищаться от него в следующие этапы магнитных бурь . (1915г)

А.П. Чижевский

• Первое наблюдение, сделанное ученым, датируется июнем 1915 года. На Севере блистали полярные сияния, наблюдавшиеся как в России, так и в Северной Америке, а "магнитные бури непрерывно нарушали движение телеграмм". Как раз в этот период ученый обращает внимание на то, что повышенная солнечная активность совпадает с кровопролитием на Земле. И действительно, сразу после появления больших пятен на Солнце на многих фронтах Первой мировой усилились военные действия.

• В октябре 2003 года состоялась масштабная буря, которая получила название Хэллоуинская, так как произошла непосредственно перед праздником. Волнения, которые случаются в наш цифровой век, приводят к серьезным последствиям:

• сбои в работе спутников – это произошло с ADEOS II (аппарат стоимостью 630 млн долларов утрачен из-за Хэллоуинской бури),
• нарушение сотовой связи,
• некорректная работа радаров, что может привести уже к глобальному военному конфликту,
• получение повышенной дозы радиации – поэтому авиарейсы в такие дни перенаправляются из приполярных районов по другим направлениям.

• Метеозависимые люди чувствуют на своем здоровье геомагнитные изменения. Изучением такого влияния занимается даже отдельное направление биофизики – гелиология.

• Солнце меняет состояние магнитосферы и атмосферы Земли. Магнитные поля и потоки частиц, которые идут от солнечных пятен, достигают Земли и влияют прежде всего на мозг, сердечно-сосудистую и кровеносную системы человека, на ее физическое, нервное и психологическое состояние. Высокий уровень солнечной активности, его быстрые изменения возбуждают человека, а поэтому и коллектив, класс, общество, особенно, когда есть общие интересы и понятная и воспринимаемая идея.

• Изменение солнечной активности влияет на живую природу. На срезе ствола сосны хорошо видно, что ширина годичных колец и, следовательно, скорость роста дерева меняются с периодом около одиннадцати лет. 

Ответим на вопросы

4. Какая из перечисленных последовательностей небесных тел верна в порядке возрастания их масс?

• А. Луна, Земля, Марс, Солнце, Юпитер.
• Б. Луна, Марс, Земля, Юпитер, Солнце.
• В. Луна, Юпитер, Марс, Земля, Солнце.
• Г. Марс, Земля, Луна, Юпитер, Солнце.

5. Каково строение Солнца

• По современным научным данным возраст Солнца составляет...
• А 2 миллиарда лет
• Б 5 миллиардов лет
• В 500 миллионов лет
• Г 300 миллионов лет

• Самым распространенным элементом на Солнце является...
• А гелий
• Б водород
• В гелия и водорода примерно поровну
• Г этот вопрос не имеет смысла, так как Солнце – это плазма

• Как называется поток мегаионизированных частиц (в основном гелиево-водородной плазмы), истекающий из солнечной короны со скоростью 300—1200 км/с в окружающее космическое пространство?
• Апротуберанцы
• Бкосмические лучи
• Всолнечный ветер

• В какой части Солнца протекают термоядерные реакции
• А в ядре
• Б в короне
• В в протуберанцах

• Затмение Солнца для наблюдателя наступает …
• А если Луна попадает в тень Земли.
• Б если Земля находится между Солнцем и Луной
• В если Луна находится между Солнцем и Землей
• Г нет правильного ответа

• Какой слой Солнца является основным источником видимого излучения?
• АХромосфера
• Б Фотосфера
• В Солнечная корон а

• Какова температура поверхности солнца?
• А3 000 К
• Б5 777 К
• В1 000 000 К
• Г15 000 000 К