Солнце: его температура, масса, размер, строение, состав, атмосфера, жизненный цикл, солнечная активность

Солнце – ближайшая звезда к Земле. Это также и источник жизни на планете. На заре развития цивилизаций у многих народов именно бог Солнца был самым главным, а все другие божества только подчинялись ему. Характерно, что мифы разных народов по своему объясняли происхождение дневной звезды и ее роль. Сегодня же, в ХХI веке, астрономия может рассказать о Солнце куда больше, чем древние мифы. Поэтому в статье мы расскажем что же происходит внутри звезды и, самое главное: что же будет с ней спустя миллионы лет.

Общая характеристика

Характеристики Солнца важны для понимания его места среди других подобных светил. Солнце являет собой огромный газовый шар, нагретый до невообразимо высоких температур. Диаметр Солнца – 1 млн. 392 тыс. 700 км. Эта величина в 109 раз больше земной. Масса Солнца внушительна и составляет около двух нонниллионов килограмм (1,98⋅1030 кг). Это в 332 946 раз больше земной массы. Интересно, что на массу всех планет, спутников, астероидов, комет, межпланетного газа и пыли, находящихся в Солнечной системе, приходится всего лишь 0,13%. Плотность Солнца несколько больше воды и равна 1,4 г/см3.

Мы наблюдаем Солнце как диск желтого цвета, но на самом деле оно так не выглядит. Звезда излучает белый цвет. Однако у поверхности Земли Солнце выглядит как диск желтого оттенка из-за рассеивания в атмосфере и поглощения части излучения.

Читайте в новой статье: древнегреческий астроном Аристарх Самосский и его открытия.

В Млечном пути находятся сотни миллиардов таких же звезд, подобных Солнцу. Самая близкая к нашей планете звезда – Проксима Центавра находится на расстоянии свыше четырех световых лет (или около 40 трлн. км).

Солнце – это звезда класса «желтый карлик» — G2V. Это значит, что во Вселенной есть гораздо большие звезды. Так, в Галактике есть объекты, радиус которых в 2 тыс. раз больше солнечного. Радиус Бетельгейзе – ближайшего к нам красного сверхгиганта больше солнечного примерно в 1200 раз.

Если изобразить схему Солнечной системы и поместить внутри нее Бетельгейзе, то она будет простираться до орбиты Юпитера.

Расстояние до Солнца от Земли в среднем составляет 150 млн. км — оно равняется одной астрономической единице. Видимый угловой диаметр для наблюдателя с земной поверхности немногим превышает половину градуса. Звезда находится примерно в 26 тыс. световых лет от центра Млечного Пути. Скорость вращения  Солнца вокруг центра галактики – 230 километров в секунду.

Источник тепла и света Солнца – термоядерные реакции. После слияния четырех протонов образуется один атом гелия и энергия. В недрах Солнца происходят и другие реакции, в результате которых, например, образуются атомы металлов.

Приблизительно до 150 астрономических единиц в космосе доминирует так называемый солнечный ветер.

Солнце обращается вокруг своей оси. Вращение это неодинаково. В районе экватора звезда делает один оборот за 25 суток, а в районе полюсов – за 34 суток.

Таблица основных физических характеристик Солнца

Значение	Основные характеристики
Диаметр Солнца в километрах	1 миллион 392 тыс.
Протяженность экватора	4,37 млн. км
Масса	приблизительно 2•1027 тонн
Площадь поверхности	6 трлн. кв. км
Объем Солнца	1,41•1018 км³
Температура поверхности	6000 °С
Температура в центре Солнца	15 700 000 °С
Экваториальный период вращения вокруг оси	25 суток
Период вращения вокруг оси на полюсах	34 суток
Наклон оси вращения к эклиптике	7,25°
Наименьшее удаление до Земли (перигелий)	147,098 млн. км
Наибольшее удаление до Земли (афелий)	152,098  млн. км
Вторая космическая скорость	617 км/с
Ускорение свободного падения	274 м/с2
Мощность излучения	3,828•1026 ватт

Состав Солнца

Солнце состоит из водорода (на его долю приходится  свыше 73 % массы) и гелия (около 25%). Другие вещества присутствуют в ничтожном количестве (около 1,5%). В числе этих полутора процентов – азот, кислород, железо, никель, магний и проч. Химический состав Солнца постоянно изменяется по причине постоянно происходящих реакций ядерного синтеза. Массовая доля водорода неуклонно уменьшается, превращаясь в гелий. Гелий также «выгорает», превращаясь в более тяжелые химические элементы.

Строение Солнца

Ошибочно мнение, будто дневная звезда состоит только из одного разогретого вещества. Строение Солнца довольно сложное. В нем различают шесть слоев. Причем 3 из них внутренние, а 3 образуют так называемую атмосферу. Узнаем подробнее, из чего состоит Солнце.

Внутренние слои Солнца

Внутреннее строение Солнца  долгое время было загадкой для астрономов. Только в ХХ веке ее удалось разгадать. Внутри Солнца находятся следующие слои.

Ядро

Это центральная часть звезды. Здесь происходят реакции ядерного синтеза. Радиус ядра – примерно 150 тыс. км.

Температура внутри Солнца доходит до невообразимых 15 миллионов градусов Кельвина. Давление же здесь составляет около 300 миллиардов атмосфер (свыше 30 000 трлн. Па). Из-за этого плотность солнечного ядра достигает 150 кг/см3 (что в 6,67 раз больше наиболее тяжелого металла на Земле – осмия).

Указанные параметры идеально подходят для реакций ядерного синтеза. Именно здесь появляется энергия, необходимая для поддержания жизни всего живого на нашей планете. Все другие участки Солнца имеют высокую температуру из-за перехода энергии из ядра. Сами они эту энергию не продуцируют.

Зона лучистого переноса

Ее еще называют зоной радиации. Она находится непосредственно над ядром. Радиус внешней границы лучистого переноса составляет 490 тыс. км. Температура медленно снижается до 2 миллионов градусов. Из-за снижения температуры уменьшается давление, в результате чего плотность солнечного вещества достигает 0,2 г/ см3. Конвекционного перемещения в этой зоне нет.

Энергия в зоне лучистого переноса распространяется путем постоянных поглощений, излучений фотонов протонами. Частицы могут двигаться в любом направлении. Этот процесс довольно медленный: из ядра фотон выходит наружу приблизительно 170 тысяч лет. Иными словами, мы сейчас видим свет, образовавшийся на Солнце, когда на Земле была ледниковая эпоха.

Зона конвективного переноса

Толщина конвективной зоны составляет около 200 тыс. километров. Плотность вещества здесь уже невелика, и оно активно перемещается. То есть разогретое вещество интенсивно поднимается вверх, отдает тепло, охлаждается и идет вниз. Скорость конвекции доходит до 6 километров в час. Эти процессы способствуют образованию солнечного магнитного поля.

На поверхности температура Солнца достигает 6 тысяч градусов, а вот плотность примерно в 1000 раз ниже, чем у земной атмосферы.

Солнечная поверхность неоднородна и имеет области с меньшей яркостью. Они называются пятнами. Продолжительность существования пятен – несколько дней. Интересно, что на Солнце могут быть пятна, которые превышают диаметр Земли. На поверхности Солнца также существуют:

• факулы – объекты с повышенной яркостью;
• гранулы – области, покрывающие фотосферу и различимы с Земли;
• супергранулы – объекты большого размера (порядка 35 тыс. км), обволакивающие поверхность Солнца.

Данные современных исследований показывают, что значение конвективных переносов чрезвычайно высоко. Именно в конвективной зоне происходят всевозможные движения солнечного вещества.

Атмосфера

Когда говорят об атмосфере Солнца, как правило, выделяют следующие 3 слоя: фотосферу, хромосферу и корону.

Фотосфера

Это самый нижний слой солнечной атмосферы. Это та область, которую мы видим с Земли, ведь Солнце излучает свет и тепло, распространяющиеся на все объекты в Солнечной системе. Толщина этого участка атмосферы – до 400 км.

Из фотосферы, или внешней излучающей поверхности Солнца на Землю попадает большинство излучения. Лучи из глубоко расположенных слоев к нам не поступают. Температура фотосферы снижается с 6000 градусов Кельвина до 4400. Эффективная температура рассчитывается по закону Стефана-Больцмана: мощность излучения абсолютно черного тела прямо пропорциональна температуре тела, возведенной в четвертую степень.

Фотосфера являет видимую поверхность нашей дневной звезды. По ней мы можем определить размеры Солнца и прочие параметры.

Хромосфера

Этот слой расположен над фотосферой. Толщина солнечной хромосферы составляет около 2 тыс. км. С Земли ее наблюдать довольно сложно из-за незначительной яркости. Хромосфера доступна земному наблюдателю во время солнечного затмения. В это время она светится красным светом.

Цвет хромосферы – красный. Название «хромосфера» произошло, по-видимому, от ее цвета. Красный оттенок объясняется тем, что в спектре преобладает линия излучения водорода серии Бальмера.

В толщи этого слоя наблюдаются спикулы – плазменные столбы, которые выбрасываются из нижних слоев. Длина одного такого столба может достигать 20 тыс. км. По мере возрастания высоты температура хромосферы возрастает и достигает 20 тыс. градусов на верхней границе.

Корона

Это самый верхний слой солнечной атмосферы. Ее границы не определены. Солнечная корона характеризуется наличием крайне разреженного вещества. Температура этой области достигает нескольких миллионов градусов. В отдельных ее участках температура может достигать 20 миллионов градусов.

Солнечная корона видна только при полном затмении. Это объясняется тем, что плотность ее вещества крайне мала, а, следовательно, яркость слоя незначительна. Форма короны изменяется зависимо от фазы цикла. В максимум активности она приближается к кругу, а в минимум – вытягивается. Солнечная корона излучает ультрафиолетовые и рентгеновские лучи.

Строение атмосферы Солнца таит в себе много загадок. На сегодня неизвестно, почему температурные показатели солнечной короны достигают столь высоких значений. В короне иногда можно обнаружить протуберанцы. Высота одного такого «факела» может превышать полтора миллиона километров.

Магнитное поле

Солнце имеет собственное магнитное поле. Различают глобальное и несколько локальных полей.

Глобальное магнитное поле Солнца имеет цикличность примерно в 11 лет. С ней связаны изменения частоты появления пятен. Это явление называется «цикл Швабе». Этот ученый еще в 19 веке приметил, что число пятен на поверхности Солнца подвержено периодическим изменениям. Несколько позже стало очевидно, что такие изменения связаны с колебаниями магнитного поля. Следовательно, необходимо два 11-летних цикла, чтобы состояние возвратилось к прежнему. Этот 22-летний цикл называется «цикл Хейла».

Кроме того, в различных участках Солнца наблюдаются локальные магнитные поля разной интенсивности. Их параметры могут быть разными. Редко когда время существования такого магнитного поля превышает 10 дней. Локальные поля чаще всего обнаруживаются возле солнечных пятен.

Жизненный цикл Солнца

Эволюция Солнца – вопрос, интересующий не одно поколение астрономов. Ученые оценивают возраст Солнца в 4,5 миллиарда лет. Оно возникло из газопылевого облака, сжимающегося под воздействием сил гравитации. Из такого же облака возникли и все остальные объекты Солнечной системы, в том числе и наша планета. Из-за сжатия начинает возрастать плотность и температура. Когда температура и давление возросли до необходимых значений, начались термоядерные реакции. Так, собственно, и начался жизненный цикл Солнца.

Масса нашей дневной звезды постепенно снижается из-за реакций ядерного синтеза. Ежесекундно 4 миллиарда тонн вещества Солнца превращается в энергию. Однако запасов водорода для поддержания протекания протон-протонной термоядерной реакции хватит на несколько миллиардов лет.

Температура светила увеличивается на 10 процентов каждые 1,1 млрд. лет. Это дает основания предположить, что раньше температура воздуха на планете была ниже, а на Венере, вероятно, могла бы существовать вода в жидкой фазе (сейчас температура Венеры такова, что на ней может плавиться свинец). Поскольку в будущем светимость Солнца будет возрастать, это приведет к увеличению температуры на Земле. Из-за высокой температуры испарятся океаны, молекулы воды, увлекаемые движением, улетучатся в космическое пространство и разложатся на атомы кислорода и водорода, а сама Земля превратится в безжизненное космическое тело.

Из-за уменьшения количества водорода на Солнце будет уменьшаться ядро. Но сама звезда «раздуется». Примерно через 6,5 млрд лет водород на Солнце выгорит. Однако ядерные реакции синтеза на этом не остановятся: начнет выгорать гелий, причем этот процесс будет происходить не в ядре, а в оболочке Солнца. Вследствие этого размеры Солнца увеличатся, и оно достигнет орбиты Земли. В этой стадии оно будет красным гигантом.

Однако рано или поздно выгорит гелий. Это произойдет примерно за 110 миллионов лет. В результате пульсаций внешние слои Солнца постепенно отделятся от ядра. Солнечное ядро превратится в белый карлик, и его диаметр будет примерно соответствовать нынешнему земному. Это при том, что масса ядра будет только вдвое меньше нынешнего Солнца.

Белый карлик будет медленно охлаждаться. В этом объекте не протекают ядерные реакции. Приблизительно через 10 миллиардов лет из Солнца останется черный карлик.

Орбита и место расположения Солнца в галактике Млечный Путь

Солнце, как и вся Солнечная система, обращается вокруг центра Млечного пути. В этом центре расположена большая черная дыра. Солнечная система совершает оборот вокруг этого центра приблизительно за 250 миллионов лет.

Солнце и Солнечная система, а также наша галактика находятся в рукаве Ориона. Скорость вращения галактики равна скорости вращения спиральных рукавов. Из-за этого Солнечная система не попадает под их влияние. Спиральные рукава излучают лучи, уничтожающие все живое на планете.

Солнечный ветер

Так называется поток ионизированных частиц, исходящих от Солнца. Его скорость может достигать 1200 километров в секунду. Потоки солнечного ветра пронизывают все пространство Солнца. Состав частиц в солнечном ветре – протоны, электроны и альфа-частицы.

Существует медленный и быстрый солнечный ветер. Медленный ветер движется со скоростью примерно 400 км/ч и нагрет примерно до полутора миллионов градусов. Его состав примерно отвечает солнечной короне. Быстрый ветер движется с большей скоростью, имеет более низкую температуру, его плотность вдвое выше.

Ежесекундно Солнцем излучается примерно 1,3⋅1036 частиц, уносимых солнечным ветром. Следовательно, за год звезда теряет в массе примерно 2⋅10−14 массы. На Земле регулярно происходят природные явления, которые связаны с распространением солнечного ветра и его возмущениями (например, магнитные бури и северные сияния).

Солнечные циклы и активность

Солнечная активность – это совокупность явлений, связанных с образованием сильных магнитных полей. Их проявление видно в фотосфере как солнечные пятна. Магнитные поля провоцируют вспышки, потоки быстрых частиц, корональные выбросы, возмущения в солнечном ветре, изменения электромагнитного излучение, потоков космических лучей. На Земле эти поля провоцируют магнитные бури и другие явления.

Показателем уровня активности Солнца является число Вольфа. Оно показывает количество пятен на видимой с Земли части звезды. Оно меняется с периодом примерно 11 лет. За последние 300 лет длительность цикла находился в более широких пределах. Им приписывают последовательные номера. В декабре 2019 года начался 11-летний цикл, который продлится предположительно до 2030 года.

Ученые определяют также 22-летний цикл. Фактически, это изменение полярности магнитного поля. Вековой цикл длится примерно 70 – 100 лет. Наконец, радиоуглеродный анализ указывает на наличие 2300-летнего цикла.

Исследование Солнца

Человечество начало интересоваться Солнцем с незапамятных времен. Оно почиталось как божество. Однако уже в античные времена появились первые научные взгляды на звезду. Уже тогда высказывались мнения, что Солнце – центр, вокруг которого вращаются планеты. Такая теория была возрождена Коперником только в 16 веке.

Впервые солнечные пятна стали наблюдать в Китае во времена династии Хань. В 12 веке появились первые рисунки солнечных пятен.

Инструментальное исследование Солнца началось в 1610 г благодаря изобретению телескопа, гелиоскопа. Астроном Кассини вычислил приблизительное расстояние от Земли до Солнца.

В 19 веке был установлен состав Солнца благодаря спектроскопии. В ХХ веке было установлено, что источником энергии Солнца является термоядерная реакция. Впоследствии было установлено, что подобные реакции происходят во всех звездах. В 2020 году были сделаны самые точные снимки нашей дневной звезды.

 

Посмотреть эту публикацию в Instagram

 

Публикация от NASA (@nasa)

На фото силуэт Международной космической станции, которая проходит на фоне Солнца со скоростью 8 км/секунду.

Интересные факты о Солнце

Ниже подобраны наиболее интересные факты о нашей дневной звезде.

1. На Солнце нет твердой поверхности.
2. Солнечная гравитация в 28 раз превышает земную.
3. Свет от Солнца идет в течение примерно восьми минут.
4. Магнитное поле звезды лишь в 2 раза сильнее земного.
5. На Солнце намного больше воды, чем на Земле. Ее молекулы находятся в основном в солнечных пятнах.
6. Излучение Солнца опасно для всего живого. Однако земная атмосфера блокирует все виды смертельных лучей.
7. Приблизительно через 1100 млн лет яркость Солнца возрастет настолько, что уничтожит все живое на нашей планете.
8. Если бы Солнце было шаром, то потребовалось бы миллион планет, таких, как Земля, чтобы его заполнить.
9. В Млечном пути 85% звезд менее яркие, чем Солнце.
10. На Землю доходит всего лишь 40% солнечного излучения. Остальное отражается в космос.

Как возникло Солнце и сколько ему лет

Основная теория возникновения Солнца гласит, что оно образовалось из газопылевого облака. В свою очередь, оно появилось после взрыва сверхновой. Гравитация заставляла остатки облака соединяться, а затем вращаться. Вращение придало облаку форму диска. Из материала, собравшегося в центре, образовалась первая протозвезда. Это случилось около 4,5 млрд лет.

Почему светит Солнце

Этот вопрос стал актуальным в середине 19 века, после формулировки закона сохранения энергии. Стало очевидным, что химической энергии совершенно недостаточно для столь огромного её количества. Так, если бы оно состояло из угля, то энергии хватило бы всего на 4 тыс. лет.

Открытие радиоактивности способствовало распространению идеи радиоактивного источника энергии. Только методы точного измерения масс позволили обнаружить, что энергия Солнца образуется из-за слияния четырех протонов в ядро атома гелия. Оно легче четырех протонов на 4,6х10-26 грамма. Согласно формуле Е=mc2 эта масса превращается в энергию, равную 26,73 МэВ. Благодаря этой энергии и светит Солнце.

Солнечное затмение

Солнечными затмениями люди интересовались уже во времена античности. В средневековых хрониках описано больше всего сведений о затмениях.

Это природное явление возникает из-за закрытия Луной Солнца для земного наблюдателя. Такое закрытие может быть полным или частичным. Затмение может быть лишь в период новолуния: тогда сторона Луны, которая обращена к Земле, не освещена и ночной спутник не виден.

Затмение является полным, если хотя бы в одной точке Земли наблюдатель видит полностью затмившийся солнечный диск. В это время человек, наблюдающий это явление природы, находится в тени Луны. Если конус тени Луны не касается земной поверхности, затмение называют частным: наблюдатель будет видеть только часть Солнца на небе.

 

Посмотреть эту публикацию в Instagram

 

Публикация от NASA Solar System Exploration (@nasasolarsystem)

Также на Земле бывают кольцеобразные затмения. В это время земной спутник проходит по солнечному диску, но его видимый диаметр меньше солнечного. Такое явление возможно в результате эллиптичности лунной орбиты.

Ежегодно на планете может быть от 2 до 5 солнечных затмений. Не более 2 из них могут быть полными или кольцеобразными. В определенной точке Земли полное затмение бывает очень редко.

Солнце – центральная звезда Солнечной системы, источник жизни на Земле. Люди всегда осознавали огромнейшее влияние Солнца на них и на природу. В древнее время оно было объектом поклонения. Сейчас же человечество открывает все больше тайн, которые скрывает Солнце. Изучение эволюции светила, солнечной активности позволит обеспечить человечество экологически чистой энергией, прогнозировать магнитные бури, контролировать климат.