20. Солнце

Определения и обозначения

Фотосфера — видимый слой Солнца, который часто называют его видимой поверхностью. Это не твёрдая оболочка: фотосфера состоит из горячего газа. Именно от неё приходит большая часть наблюдаемого солнечного света, поэтому её изучают по излучению и видимым деталям, например пятнам.

Хромосфера — слой солнечной атмосферы, расположенный над фотосферой. Обычно яркий свет фотосферы заслоняет её, поэтому хромосферу наблюдают во время полного солнечного затмения или с помощью специальных приборов. Она заметна по свечению и структурам, меняющимся со временем.

Солнечная корона — внешняя, очень разреженная атмосфера Солнца, которая простирается на большие расстояния от его видимой границы. Из-за слабого свечения корону трудно увидеть рядом с ярким диском Солнца. При полном затмении она выглядит как светлое сияние вокруг него.

Солнечная активность — совокупность изменяющихся явлений на Солнце, связанных с его магнитным полем. К её проявлениям относятся солнечные пятна, вспышки и выбросы вещества. Это понятие помогает связать изменения на Солнце с событиями в межпланетном пространстве и возможными возмущениями у Земли.

Как это устроено

Солнце — звезда, то есть горячее небесное тело, которое само излучает свет. Земля получает от него энергию, необходимую для освещения и нагрева поверхности, атмосферы и океанов. Без этого потока энергии условия на нашей планете были бы совсем другими. Поэтому свойства Солнца важны не только для астрономии, но и для понимания земной природы.

В центре Солнца находятся условия, при которых возможны термоядерные реакции: очень высокая температура и давление. Ядра водорода соединяются и в итоге образуют гелий, а небольшая часть массы переходит в энергию. Именно этот процесс, а не обычное горение, поддерживает солнечное излучение. Запас водорода в недрах позволяет реакциям происходить длительное время.

Энергия, выделившаяся в ядре, не сразу достигает поверхности. Во внутренних слоях она переносится главным образом излучением: энергия многократно поглощается и испускается частицами вещества. Ближе к поверхности становится эффективнее перенос движением вещества — конвекция: горячие области поднимаются, а остывшие опускаются. Так энергия постепенно доходит до фотосферы и излучается в космос.

Солнечная атмосфера состоит из слоёв, которые различаются плотностью, температурой и видимостью. Фотосфера выглядит как диск Солнца, потому что её излучение значительно ярче свечения расположенных выше слоёв. Хромосферу и корону можно изучать во время полного затмения или специальными приборами, которые ослабляют яркий свет фотосферы. Корона особенно разрежена и уходит далеко от Солнца.

Солнечные пятна и вспышки возникают в областях сложных магнитных полей. Поля могут сдерживать движение горячего вещества, поэтому пятна имеют более низкую температуру, чем окружающая фотосфера, и кажутся темнее. При изменениях магнитного поля происходят вспышки и выбросы частиц и вещества. Достигнув околоземного пространства, они могут возмущать магнитное поле Земли, вызывая магнитные бури и влияя на работу технических систем.

Слои Солнца и их особенности

Читайте таблицу от ядра к внешней атмосфере: так виден порядок слоёв и путь энергии к поверхности. Столбец «Особенность» помогает сравнить способы переноса энергии и свойства атмосферы. В последнем столбце указано, что можно наблюдать непосредственно, а что приходится изучать косвенными методами.

Разбор задач

Задача 1. Условие: укажите, в каком слое Солнца находится видимая поверхность и какой слой расположен непосредственно над ним. Решение: сначала определим, где заканчивается область, которую мы видим как солнечный диск. Затем вспомним последовательность слоёв атмосферы, не смешивая её с внутренними областями Солнца.

1. Видимым слоем Солнца является фотосфера: именно её обычно наблюдают как солнечный диск.
2. Над фотосферой находится хромосфера; ещё выше расположена корона.

Ответ: видимая поверхность Солнца — фотосфера, непосредственно над ней лежит хромосфера. Проверка: порядок внешних слоёв от поверхности наружу — фотосфера, хромосфера, корона.

Задача 2. Условие: объясните, почему Солнце продолжает излучать энергию, и назовите процесс, происходящий в его недрах. Решение: нужно найти источник энергии, а не объяснять свечение расходованием топлива при обычном горении. Для этого мысленно переместимся от видимой поверхности к центру Солнца, где температура и давление особенно велики.

1. В ядре Солнца условия позволяют ядрам водорода соединяться друг с другом.
2. В результате термоядерных реакций образуется гелий, а часть массы превращается в энергию.
3. Эта энергия переносится через внутренние слои к фотосфере, откуда Солнце излучает её в пространство.

Ответ: Солнце продолжает светить благодаря термоядерным реакциям превращения водорода в гелий в ядре. Проверка: если объяснение сводится к химическому горению, оно неверно — источник солнечной энергии ядерный.

Задача 3. Условие: во время наблюдений обнаружили солнечную вспышку и усиление возмущений в околоземном пространстве. Объясните возможную связь этих явлений. Решение: совпадение по времени ещё не доказывает связь, поэтому нужно проследить, что может переноситься от Солнца к Земле. Вспышка связана с активностью магнитных полей и может сопровождаться выбросом частиц и вещества.

1. Вспышка усиливает излучение и может сопровождаться выбросом потока заряженных частиц.
2. Частицы и возмущённое вещество распространяются через межпланетное пространство.
3. При взаимодействии с магнитным полем Земли они могут усилить геомагнитные возмущения.

Ответ: вспышка могла стать причиной возмущений, если выброшенные частицы или вещество достигли околоземного пространства. Проверка: важна не только вспышка, но и перенос солнечного воздействия до Земли.

Типичные ошибки

Ошибка: считать фотосферу твёрдой поверхностью Солнца. Так думают, потому что она выглядит как чёткая граница солнечного диска. Но фотосфера — видимый слой газа, а не твёрдая оболочка. Проверьте себя: если в объяснении появляются слова «земля» или «твёрдая кора» применительно к фотосфере, представление неверно.

Ошибка: путать хромосферу и корону или относить их к внутренним слоям Солнца. Путаница возникает потому, что оба слоя расположены не внутри видимого диска и их трудно наблюдать. На самом деле это части атмосферы над фотосферой: сначала хромосфера, затем корона. Проверьте порядок слоёв и их положение относительно видимой поверхности.

Ошибка: объяснять энергию Солнца обычным горением. Такое объяснение кажется привычным, поскольку горение тоже сопровождается выделением тепла и света. Однако в солнечных недрах энергия возникает при термоядерных реакциях превращения водорода в гелий. Проверка проста: если источник энергии назван химической реакцией, нужно заменить объяснение ядерным процессом.

Ошибка: считать солнечные пятна холодными тёмными объектами. Пятна выглядят тёмными на фоне более яркой фотосферы, и из-за этого их можно принять за отдельные тела. Они лишь холоднее окружающих областей, но остаются горячими участками Солнца. Проверьте себя: сравнивайте их температуру с температурой фотосферы вокруг, а не с температурой земных предметов.

Связь с другими темами

Для изучения Солнца нужно знать, что такое звезда, атомное ядро и термоядерная реакция: эти понятия объясняют его природу и источник энергии. Представление о солнечных реакциях пригодится при изучении эволюции звёзд и их источников энергии. Знания о солнечной активности помогают понять, как возникают магнитные бури и почему процессы на Солнце способны влиять на Землю и технические системы.

Что запомнить

• Солнце — ближайшая к Земле звезда.
• Основной источник энергии Солнца — термоядерные реакции в его недрах.
• Во внешних слоях Солнца вещество переносит энергию конвекцией.
• Фотосфера — видимая поверхность Солнца.
• Над фотосферой расположены хромосфера и корона.
• Солнечная активность связана с магнитными полями и меняется со временем.