§ 20. Строение солнечной атмосферы

Определения и обозначения

Фотосфера — нижний видимый слой солнечной атмосферы. Её излучение составляет основную часть света, который мы получаем от Солнца, поэтому глаз воспринимает фотосферу как солнечную поверхность. Это понятие помогает отличать видимую границу звезды от твёрдой поверхности, которой у Солнца нет.

Хромосфера — слой атмосферы над фотосферой. Обычно её трудно увидеть из-за яркого света нижнего слоя, но она становится заметна при полном солнечном затмении или с помощью специальных приборов. С высотой плотность в хромосфере уменьшается, а температура после первоначального снижения начинает расти.

Корона — внешняя, очень разреженная часть солнечной атмосферы. Она имеет высокую температуру и простирается на огромное расстояние от Солнца, постепенно переходя в межпланетное пространство. Термин нужен, чтобы описывать внешний слой, который нельзя считать плотным лишь потому, что он очень горячий.

Грануляция — зернистая структура фотосферы, возникающая из-за движения газа. Горячее вещество поднимается, а остывшее после отдачи энергии опускается. Наблюдаемые ячейки показывают, как перенос энергии проявляется в видимом слое Солнца.

Как это устроено

У Солнца нет чёткой твёрдой границы, на которую можно было бы указать как на поверхность планеты: оно представляет собой горячий газ. Видимая граница возникает потому, что основная часть света, достигающего наблюдателя, испускается из фотосферы. Более глубокие области скрыты непрозрачным веществом, а разреженные внешние слои светят значительно слабее. Поэтому фотосфера выглядит краем солнечного диска, хотя вещество продолжается выше неё.

Слои атмосферы расположены один над другим. Ближе всего к видимой границе находится фотосфера, над ней лежит хромосфера, а ещё выше — корона. У каждого слоя свои условия и проявления, но переходы между ними не похожи на границы твёрдых оболочек: газ постепенно меняет плотность и свойства. Такое расположение помогает понять, почему внешние части атмосферы окружают диск Солнца.

Грануляция появляется из-за переноса энергии движущимся газом. В более глубоких слоях вещество нагревается и поднимается к фотосфере, перенося энергию вверх. Оказавшись ближе к поверхности, газ отдаёт энергию излучением, остывает и становится плотнее, поэтому опускается. Повторяющиеся потоки горячего и остывшего вещества образуют ячеистый рисунок, который можно наблюдать в фотосфере.

С высотой плотность вещества в атмосфере уменьшается: внешние слои гораздо разреженнее нижних. Температура меняется не так просто: после фотосферы она сначала падает, а во внешней атмосфере резко возрастает и в короне становится очень высокой. Следовательно, нельзя считать, что каждый следующий слой обязательно холоднее предыдущего. Низкая плотность короны также не противоречит её высокой температуре: это разные характеристики вещества.

Хромосферу и корону трудно наблюдать рядом с ярким солнечным диском, потому что их слабый свет теряется на фоне излучения фотосферы. При полном затмении Луна закрывает фотосферу, и внешние слои становятся заметнее. Однако затмение не является единственной возможностью: специальные приборы ослабляют свет диска или выделяют излучение нужных слоёв. Так астрономы могут исследовать атмосферу и в обычное время.

Слои солнечной атмосферы

Сравнивайте столбцы сверху вниз: так видно, как меняются положение, плотность и температура с удалением от центра Солнца. Таблица также помогает отделить наблюдаемые признаки каждого слоя от общих изменений атмосферы.

Разбор задач

Задача 1

Условие: расположите фотосферу, хромосферу и корону в порядке удаления от центра Солнца и назовите видимую поверхность. Нужно опираться на расположение слоёв, а не на их яркость или температуру. Видимость солнечного диска связана с тем, откуда приходит основная часть излучения.

1. Начинаем с нижнего видимого слоя атмосферы — фотосферы.
2. За ней располагается хромосфера, а дальше от центра находится корона.
3. Проверяем порядок: каждый следующий слой расположен выше предыдущего.

Ответ: фотосфера, хромосфера, корона; видимой поверхностью называют фотосферу, но она не является твёрдой.

Задача 2

Условие: по таблице температур в разных слоях определите, где температура сначала убывает, а затем возрастает. Числа могут различаться, поэтому важно проследить последовательность значений по высоте. Не следует заранее предполагать, что температура всё время меняется в одном направлении.

1. Расположите данные по высоте: сначала фотосфера, затем хромосфера и корона.
2. Сравните температуру каждого слоя со значением в предыдущем: найдите участок снижения.
3. Затем проверьте, где значения начинают увеличиваться; этот переход показывает разворот изменения температуры.

Ответ: температура после фотосферы сначала падает, а во внешней атмосфере, включая корону, возрастает. Если в таблице коронное значение значительно выше, это подтверждает резкий рост температуры на внешнем участке.

Задача 3

Условие: во время полного солнечного затмения вокруг закрытого диска виден слабый ореол. Требуется определить слой атмосферы и объяснить, почему он стал заметен именно в этот момент. Учитываем, что затмение закрывает яркий диск Солнца, но не удалённую от него газовую оболочку.

1. Ореол расположен снаружи солнечного диска, поэтому ищем внешний слой атмосферы.
2. Внешняя протяжённая часть атмосферы называется короной.
3. Луна закрывает фотосферу, и её яркий свет перестаёт затмевать слабое свечение короны.

Ответ: наблюдают корону; она становится заметной из-за подавления яркого света фотосферы. Её можно изучать и без затмения, если применять специальные приборы.

Типичные ошибки

• Считать фотосферу твёрдой поверхностью. Так думают, потому что на изображениях Солнце выглядит как диск с чётким краем. Проверьте себя: фотосфера — газовый слой, откуда приходит основная часть видимого излучения, а не твёрдая оболочка.
• Предполагать, что температура непрерывно падает до короны. Это кажется логичным, если ожидать постепенного охлаждения с высотой. Вспомните порядок изменения: после фотосферы температура сначала снижается, а во внешней атмосфере резко возрастает.
• Путать высокую температуру короны с высокой плотностью. Эти характеристики легко смешать, хотя одна не следует из другой. Проверьте утверждение отдельно по каждой величине: корона очень горячая, но крайне разреженная.
• Говорить, что корону видно только при затмении. Такое впечатление создаёт привычное наблюдение ореола во время полного затмения. Затмение облегчает обзор, однако специальные приборы позволяют изучать корону и в другое время.

Связь с другими темами

Для понимания строения атмосферы нужно знать, что Солнце — звезда, состоящая из горячего газа, и различать температуру и плотность. Эти свойства помогают объяснить, почему корона одновременно очень горячая и разреженная. Знание слоёв пригодится при изучении солнечной активности, вспышек и влияния солнечного ветра на Землю. Наблюдения спектра и излучения Солнца связывают тему с методами астрофизических исследований: по свету учёные узнают свойства недоступных для прямого изучения областей.

Что запомнить

• Солнечная атмосфера включает фотосферу, хромосферу и корону.
• Фотосфера — видимый слой Солнца, а не его твёрдая поверхность.
• Хромосфера расположена над фотосферой, корона — над хромосферой.
• Плотность вещества уменьшается при переходе к внешним слоям атмосферы.
• Температура после фотосферы сначала снижается, а в короне резко возрастает.
• Грануляция связана с движением горячего и остывшего газа в фотосфере.