"Астрономия (базовый уровень)", Левитан Е.П.
Солнце — ближайшая к Земле звезда и главный источник света и тепла для планет Солнечной системы. Оно состоит из раскалённой плазмы, а энергия выделяется в ядре при термоядерном превращении водорода в гелий. Излучение проходит через внутренние зоны и выходит главным образом из фотосферы. Над ней находятся хромосфера и корона, где проявляется солнечная активность, влияющая на Землю и космическую технику.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Солнце — ближайшая к Земле звезда и основной источник света и энергии для планетной системы. По физической природе оно не отличается от других звёзд: в нём есть горячая плазма и источник внутренней энергии. Наблюдать подробности его строения легче только потому, что оно находится значительно ближе остальных звёзд.
Фотосфера — видимый слой Солнца, из которого исходит почти всё наблюдаемое излучение. Это не твёрдая поверхность, а сравнительно тонкий слой плазмы. По его излучению определяют температуру, химический состав и многие проявления активности Солнца.
Хромосфера — слой солнечной атмосферы над фотосферой, особенно заметный во время полного затмения. Её название связано с цветными линиями излучения, которые можно наблюдать в спектре. Изучение хромосферы помогает проследить, как меняются температура и движение вещества над видимым слоем.
Солнечная корона — самая внешняя, разреженная и чрезвычайно горячая часть атмосферы Солнца. Она простирается на миллионы километров и постепенно переходит в солнечный ветер. Корона видна при полном затмении или с помощью специальных приборов, закрывающих яркую фотосферу.
Солнце относят к звёздам, потому что оно самостоятельно излучает энергию, а не отражает чужой свет. В его недрах поддерживаются температура и давление, достаточные для ядерных реакций. От других звёзд оно отличается прежде всего малым расстоянием до Земли, поэтому выглядит диском и позволяет изучать отдельные детали поверхности.
В центре Солнца находится ядро, где плотность и температура максимальны. Далее расположена зона лучистого переноса: фотоны многократно поглощаются и переизлучаются, медленно продвигаясь наружу. В конвективной зоне горячая плазма поднимается, остывает и опускается, поэтому энергия переносится потоками вещества.
Энергия Солнца возникает в ядре при термоядерных реакциях. Ядра водорода постепенно объединяются в ядро гелия, а небольшая разница масс превращается в энергию. Она сначала распространяется наружу излучением, затем переносится конвекцией и в конце выходит через фотосферу в виде света и других электромагнитных волн.
Фотосфера имеет температуру около 5800 K, а температура короны достигает миллионов градусов. Это не означает, что корона нагревается обычным удалением от ядра: её разреженная плазма получает энергию от магнитных полей и волн в атмосфере. Точный механизм коронального нагрева остаётся сложной задачей астрофизики.
Активность Солнца связана с изменениями его магнитного поля. Пятна выглядят тёмными, факелы — яркими областями, протуберанцы представляют собой дуги и выбросы плазмы, а вспышки сопровождаются резким выделением энергии. Эти явления могут вызвать магнитные бури, полярные сияния, сбои связи и нарушения работы спутников на Земле.
В таблице слои расположены от центральной области к внешней атмосфере, а затем приведены общие характеристики Солнца. Температуры являются приблизительными: внутри звезды они меняются постепенно, а в атмосфере могут резко возрастать. Значения светимости и солнечной постоянной описывают разные величины, поэтому их нельзя подменять друг другом.
| Слой или характеристика | Положение или значение | Температура | Основные особенности |
|---|---|---|---|
| Ядро | Центральная область, примерно до ¼ радиуса | Около 15 млн K | Термоядерные реакции, выделение энергии |
| Зона лучистого переноса | Под конвективной зоной | Примерно от 7 млн до 2 млн K | Перенос энергии излучением |
| Конвективная зона | Внешняя внутренняя оболочка | От примерно 2 млн до 5800 K | Перенос энергии потоками плазмы |
| Фотосфера | Видимый слой, наружная граница Солнца | Около 5800 K | Свет, грануляция, пятна и факелы |
| Хромосфера | Над фотосферой | Примерно 4000–10 000 K | Цветные спектральные линии, протуберанцы |
| Солнечная корона | Самый внешний слой атмосферы | Около 1–2 млн K | Разреженная плазма, солнечный ветер |
| Масса, радиус и средняя плотность Солнца | 1,99·10³⁰ кг; 696 000 км; 1,41·10³ кг/м³ | Не применимо | Солнце намного массивнее Земли, но его средняя плотность близка к плотности воды |
| Светимость и солнечная постоянная | 3,8·10²⁶ Вт; около 1360 Вт/м² у Земли | Не применимо | Полная мощность излучения и поток энергии на единицу площади |
Чтобы пользоваться таблицей, сначала определите, идёт ли речь о слое, температуре или величине, характеризующей Солнце целиком. Значения температуры сравнивают с учётом физического состояния плазмы, а не по расстоянию слоя от ядра. Для расчётов нужно выбирать именно ту величину, которая указана в условии.
Задача 1. Определим, во сколько раз радиус Солнца больше радиуса Земли, если Rₛ = 696 000 км, а Rₑ = 6400 км. Требуется найти отношение радиусов, поэтому единицы измерения уже согласованы. Результат округлим до разумного числа.
Ответ: радиус Солнца примерно в 109 раз больше радиуса Земли. Это сравнение радиусов, а не объёмов: объём при одинаковой форме возрастает примерно как третья степень радиуса.
Задача 2. Найдём светимость Солнца по солнечной постоянной S ≈ 1360 Вт/м² и расстоянию r = 1 а.е. ≈ 1,496·10¹¹ м. Поток распределяется по поверхности сферы, площадь которой равна 4πr². Поэтому полная мощность равна L = 4πr²S.
Ответ: светимость Солнца составляет примерно 3,8·10²⁶ Вт. В формуле солнечная постоянная умножается на площадь сферы, потому что она показывает поток только через единицу площади.
Задача 3. Оценим массу, превращающуюся в энергию за одну секунду, если L = 3,8·10²⁶ Вт. Мощность показывает энергию за секунду, поэтому за время t = 1 с энергия равна E = Lt. Используем формулу Эйнштейна E = mc², где c ≈ 3·10⁸ м/с.
Ответ: примерно 4,2 млрд кг вещества в секунду превращается в энергию. Это малая доля общей массы Солнца, поэтому оно может излучать энергию миллиарды лет.
Ошибка: считать фотосферу твёрдой поверхностью. Её допускают из-за того, что слой выглядит как граница диска Солнца, но фотосфера состоит из плазмы и не имеет твёрдой оболочки. Проверка: вспомните, что при переходе вглубь плотность и температура меняются постепенно.
Ошибка: путать светимость с видимым блеском. Светимость — собственная мощность излучения, а блеск зависит ещё и от расстояния до наблюдателя, поэтому далёкая звезда может казаться слабее. Проверка: спросите себя, изменится ли величина при переносе звезды дальше без изменения её физического состояния.
Ошибка: утверждать, что Солнце получает энергию от горения. Химическое горение быстро израсходовало бы топливо, тогда как в ядре идут термоядерные реакции превращения водорода в гелий. Проверка: связывайте солнечную энергию с ядерными, а не с химическими реакциями.
Ошибка: считать солнечные пятна холодными объектами или отверстиями. Это более холодные участки фотосферы с сильным магнитным полем, а их тёмный вид объясняется контрастом с окружающей поверхностью. Проверка: помните, что температура пятна всё равно составляет тысячи градусов.
Для понимания темы нужны знания о строении атома, ядерных реакциях, плазме, температуре, мощности и законе сохранения энергии. Эти понятия объясняют, почему Солнце выделяет энергию и как она переносится.
Тема связана со звёздными величинами, светимостью, спектром и электромагнитным излучением. По этим характеристикам сравнивают Солнце с другими звёздами и определяют их физические свойства.
Знания о Солнце понадобятся при изучении звёзд и их эволюции, космической погоды и влияния солнечной активности на Землю. Они помогают понять причины магнитных бурь, полярных сияний и сбоев космической техники.
Почему Солнце светит миллиарды лет и не остывает?
В ядре Солнца постоянно идут термоядерные реакции, при которых водород превращается в гелий и выделяется энергия. Запаса водорода достаточно для поддержания излучения в течение миллиардов лет.
Почему температура короны выше температуры фотосферы?
Точный механизм нагрева короны изучен не полностью. Вероятно, энергию в неё переносят магнитные волны и движения плазмы, поэтому разреженная корона нагревается до миллионов градусов, хотя фотосфера холоднее.
Что находится внутри солнечных пятен?
Пятно не является пустотой или отверстием. Это участок фотосферы с особенно сильным магнитным полем, которое затрудняет перенос энергии и делает его холоднее окружающей поверхности.
Чем светимость отличается от солнечной постоянной?
Светимость — полная мощность излучения Солнца во всех направлениях. Солнечная постоянная — поток энергии, приходящий на единицу площади, перпендикулярной лучам, на расстоянии одной астрономической единицы.
Может ли солнечная активность повлиять на жизнь и технику на Земле?
Да. Вспышки и выбросы вещества вызывают магнитные бури, нарушают радиосвязь, работу спутников и навигации, а также могут создавать повышенную радиационную опасность. Для живых организмов основную защиту обеспечивают атмосфера и магнитное поле Земли.
VIII. Основные сведения о Солнце
