§ 18. Общие сведения о Солнце

Определения и обозначения

Астрономическая единица — среднее расстояние от Земли до Солнца, равное 1,496 × 10¹¹ м. Её используют как удобную единицу расстояния внутри Солнечной системы. Например, расстояния до планет можно сравнивать не с огромным числом метров, а с долями или несколькими астрономическими единицами.

Фотосфера — видимый слой Солнца, из которого исходит основная часть наблюдаемого излучения. Это не твёрдая поверхность, а плазма, то есть горячее ионизированное вещество. По излучению фотосферы определяют температуру и многие свойства Солнца.

Хромосфера — слой солнечной атмосферы, расположенный над фотосферой. Обычно её слабое свечение теряется на фоне яркого диска, но во время полного затмения она становится заметной. Изучение хромосферы позволяет наблюдать движения газа и проявления активности.

Солнечная корона — самая внешняя, разреженная и протяжённая часть атмосферы Солнца. Она простирается на миллионы километров и лучше всего видна во время полного затмения или специальными приборами. Из короны непрерывно уходит поток частиц, называемый солнечным ветром.

Как это устроено

Солнце считают звездой, потому что оно само испускает свет и тепло, а не отражает чужое излучение. В его недрах идут термоядерные реакции: ядра водорода соединяются с образованием гелия, и часть массы превращается в энергию. Планеты такого источника энергии не имеют, поэтому видимы главным образом благодаря отражённому свету звезды.

Солнце значительно больше и массивнее Земли: его радиус примерно в 109 раз, а масса примерно в 333 тысячи раз больше земной. Большая масса создаёт сильное притяжение, удерживающее солнечное вещество и планеты на орбитах. При этом Солнце находится примерно в 1 а.е. от Земли, поэтому его диск кажется небольшим, хотя реальный диаметр огромен.

Собственная гравитация сжимает Солнце, а горячий газ создаёт направленное наружу давление. Равновесие этих сил поддерживает устойчивость звезды и позволяет сохранять высокую температуру в центре. Энергия из недр постепенно переносится к поверхности излучением и движением плазмы, а затем уходит в космос в виде электромагнитного излучения.

Фотосфера выглядит как поверхность, потому что плазма в этом слое становится достаточно прозрачной для выхода света, но твёрдой границы у Солнца нет. Над ней расположена хромосфера с другой плотностью и температурой, а ещё выше — корона, состоящая из крайне разреженного газа. Различия свойств слоёв связаны с изменением плотности, температуры и действием магнитных полей; корона при этом нагревается до очень высоких температур.

Солнечная активность возникает из-за сложных движений плазмы и магнитных полей. В местах, где сильные магнитные поля выходят из недр и подавляют перенос тепла, появляются более холодные солнечные пятна. Быстрая перестройка магнитных полей вызывает вспышки и выбросы вещества, а их излучение и частицы могут достигать Земли и менять состояние околоземного космоса.

Основные характеристики Солнца

Таблица помогает сопоставить основные физические параметры Солнца и понять, что именно измеряет каждый из них. Обозначения с индексом ☉ используют специально для солнечных величин. Период вращения указан диапазоном, потому что разные широты Солнца вращаются с неодинаковой скоростью.

Разбор задач

Задача 1. Определим время, за которое свет проходит расстояние 1 а.е. Скорость света примем равной c = 3,0 × 10⁸ м/с. Нужно перевести расстояние в метры и применить формулу времени движения.

1. Записываем расстояние: s = 1,496 × 10¹¹ м.
2. Используем формулу t = s / c.
3. Получаем t = (1,496 × 10¹¹) / (3,0 × 10⁸) ≈ 499 с.
4. Переводим секунды в минуты: 499 с ≈ 8 мин 19 с.

Ответ: свет от Солнца достигает Земли примерно за 8 мин 20 с. Поэтому мы видим Солнце таким, каким оно было немного более восьми минут назад.

Задача 2. Найдём угловой диаметр Солнца по радиусу R = 6,96 × 10⁸ м и расстоянию r = 1,496 × 10¹¹ м. Угловой размер должен быть найден для диаметра, поэтому сначала вычислим d = 2R.

1. Диаметр Солнца: d = 2 × 6,96 × 10⁸ = 1,392 × 10⁹ м.
2. Для малых углов используем φ ≈ d / r.
3. Получаем φ ≈ 1,392 × 10⁹ / 1,496 × 10¹¹ ≈ 0,00930 рад.
4. Переводим в градусы: 0,00930 × 180° / π ≈ 0,533°, то есть около 32′.

Ответ: угловой диаметр Солнца примерно равен 0,53°, или 32 угловым минутам. При вычислении радиус нельзя подставлять вместо диаметра.

Задача 3. Определим светимость Солнца по солнечной постоянной F ≈ 1360 Вт/м² на расстоянии 1 а.е. Предположим, что излучение распространяется равномерно во все стороны и распределяется по поверхности сферы.

1. Радиус сферы равен r = 1,496 × 10¹¹ м.
2. Площадь сферы равна 4πr².
3. Полная мощность находится по формуле L = 4πr²F.
4. Подставляем значения: L ≈ 4π × (1,496 × 10¹¹)² × 1360 ≈ 3,8 × 10²⁶ Вт.

Ответ: светимость Солнца составляет примерно 3,8 × 10²⁶ Вт. Поток F показывает мощность, приходящуюся на единицу площади на орбите Земли, а L учитывает всё излучение звезды.

Типичные ошибки

Путают светимость и поток излучения. Светимость — полная мощность Солнца, а поток зависит от расстояния и площади, на которую падает излучение. Проверка: у светимости единица Вт, у потока — Вт/м².

Считают фотосферу твёрдой поверхностью. Такой вывод возникает из-за слова «поверхность» и изображения солнечного диска. Проверка: фотосфера состоит из плазмы и не имеет твёрдой границы.

Смешивают температуры разных областей. Температура фотосферы около 5800 К не описывает ни недра, ни корону. Проверка: всегда уточняйте, о каком слое идёт речь.

Берут радиус вместо диаметра. При угловом размере нужен размер всего диска d = 2R, а при площади сферы используется радиус r в формуле 4πr². Проверка: сделайте схему и подпишите, какой отрезок дан в условии.

Связь с другими темами

Для изучения характеристик Солнца нужны единицы расстояния, массы, температуры и мощности, а также формула скорости распространения света. Тема опирается на знания о звёздах, плазме, спектре и электромагнитном излучении.

Эти сведения пригодятся при изучении эволюции звёзд, солнечно-земных связей, космической погоды и строения Солнечной системы. Солнце служит ближайшим примером звезды, поэтому его процессы легче наблюдать и исследовать.

Что запомнить

• Солнце — ближайшая к Земле звезда.
• Энергию Солнце получает в результате термоядерных реакций в недрах.
• Солнце состоит главным образом из водорода и гелия.
• Фотосфера — видимый слой Солнца.
• Над фотосферой расположены хромосфера и корона.
• Солнечная активность проявляется в пятнах, вспышках и других изменениях атмосферы.
• Излучение Солнца определяет условия существования жизни и многие процессы на Земле.