§ 10.4. Солнце — дневная звезда. Строение и основные характеристики Солнца. Солнечно-земные связи

Определения и обозначения

Солнце — звезда, ближайшая к Земле и видимая днём как яркий диск. Его называют дневной звездой не потому, что оно отличается от других звёзд по природе: оно просто гораздо ближе, поэтому его свет сильнее. Звезду характеризуют массой, радиусом, температурой и светимостью, то есть полной энергией, излучаемой за единицу времени.

Фотосфера — видимый слой солнечной атмосферы, от которого приходит основная часть наблюдаемого излучения. Это не твёрдая поверхность: мы видим слой горячего газа, потому что более глубокие области непрозрачны для света. Понятие фотосферы помогает определить, откуда именно мы наблюдаем солнечный диск.

Хромосфера — разреженный атмосферный слой над фотосферой, а корона — ещё более внешняя и обширная оболочка Солнца. В отличие от фотосферы, эти слои гораздо слабее светятся в обычных условиях и имеют иные температуры и плотности. Их изучение позволяет судить о процессах во внешней атмосфере звезды.

Солнечная активность — совокупность меняющихся явлений, связанных прежде всего с магнитными полями Солнца. К ней относятся пятна, вспышки и выбросы вещества, а также изменения потоков излучения и частиц. Это понятие нужно, чтобы связывать происходящее на Солнце с возможными изменениями в околоземном пространстве.

Как это устроено

От центра к внешней границе располагаются ядро, зона переноса энергии, конвективная зона, фотосфера, хромосфера и корона. Первые три области относятся к внутреннему строению, а последние три — к атмосфере. Такое деление отражает разные условия вещества и способы передачи энергии, а не наличие твёрдых оболочек.

В ядре температура и давление настолько велики, что ядра водорода могут сливаться, образуя гелий. При этом часть массы превращается в энергию, которая уносится излучением и движением частиц. Энергия проходит наружу через зону переноса излучением, а в конвективной зоне горячее вещество поднимается и остывшее опускается, поскольку так эффективнее переносить тепло в этих условиях.

Фотосферу наблюдают непосредственно как яркий солнечный диск, используя безопасные фильтры и специальные приборы. Хромосферу изучают, например, в свете определённых спектральных линий, когда фотосферное излучение ослаблено прибором. Корона очень разрежена и обычно теряется в ярком свете фотосферы, поэтому во время полного солнечного затмения, когда Луна закрывает её диск, она становится заметнее; корону также исследуют специальными телескопами.

Масса Солнца составляет около 2 × 10³⁰ кг и показывает, сколько вещества заключено в звезде; радиус около 696 000 км характеризует её размер. Температура фотосферы близка к 5800 K, а температура в ядре достигает примерно 15 млн K. Светимость равна примерно 3,8 × 10²⁶ Вт и показывает полную мощность излучения, а среднее расстояние до Земли — около 150 млн км — определяет, сколько времени свет идёт к нам: примерно 8 минут 20 секунд.

Солнечные пятна выглядят тёмными, потому что их температура ниже температуры окружающей фотосферы; они связаны с сильными магнитными полями. Перестройки магнитных полей могут высвобождать энергию во вспышках и сопровождаться выбросами заряженных частиц. Излучение достигает Земли примерно за время распространения света, а быстрые частицы и облака вещества взаимодействуют с магнитосферой и верхней атмосферой; поэтому возможны полярные сияния и сбои связи, но последствия зависят от направления и мощности события.

Строение Солнца и свойства его слоёв

Читайте таблицу сверху вниз, чтобы проследить путь от центра Солнца к его внешней атмосфере. Сопоставляйте положение слоя с переносом энергии и способом наблюдения: внутренние области нельзя увидеть напрямую, а атмосфера проявляется в излучении и движении вещества. Фотосфера, хромосфера и корона — слои атмосферы, а не твёрдые оболочки.

Разбор задач

Задача 1. Назовите слои Солнца от центра к внешней границе и укажите, где происходит выделение энергии.

1. Начинаем с центра: первым слоем будет ядро.
2. Далее идут зона переноса энергии и конвективная зона; обе передают энергию наружу, но разными способами.
3. Затем располагаются атмосферные слои: фотосфера, хромосфера и корона.
4. Отделяем место рождения энергии от пути её переноса: термоядерные реакции идут в ядре, а в следующих областях энергия перемещается к поверхности.

Ответ: ядро, зона переноса энергии, конвективная зона, фотосфера, хромосфера, корона. Основная энергия выделяется в ядре.

Задача 2. Сравните температуру фотосферы и короны и объясните, почему утверждение «чем дальше от ядра, тем всегда холоднее» неверно.

1. Температура фотосферы составляет примерно 5800 K.
2. В короне температура может достигать миллионов кельвинов, поэтому внешняя атмосфера горячее видимого слоя.
3. Следовательно, температура Солнца не убывает непрерывно с расстоянием от центра: в атмосфере есть отдельный нагретый внешний слой.
4. Нагрев короны связывают с передачей энергии магнитными полями и волнами, хотя детали этого механизма продолжают изучать.

Ответ: корона намного горячее фотосферы. Простое правило охлаждения с удалением от ядра здесь не работает, поскольку внешняя атмосфера дополнительно нагревается.

Задача 3. Объясните возможную цепочку последствий сильной солнечной вспышки для Земли, указав явления в околоземном пространстве и атмосфере.

1. Вспышка усиливает электромагнитное излучение; его воздействие на освещённую сторону Земли может быстро изменить условия распространения радиоволн.
2. Если событие сопровождается выбросом заряженных частиц и облако направлено к Земле, оно взаимодействует с магнитосферой.
3. Возмущения магнитосферы могут усилить полярные сияния и повлиять на спутники, радиосвязь и навигационные системы.
4. Не каждое событие приводит ко всей цепочке: учитывают его мощность, направление и то, какие частицы достигли Земли.

Ответ: возможны нарушения радиосвязи и работы спутников, а также полярные сияния. Это вероятные, а не обязательные последствия каждой вспышки.

Типичные ошибки

Ошибка — считать фотосферу твёрдой поверхностью. Так думают, потому что солнечный диск выглядит чётким, но его граница образована горячим газом, а не твёрдой оболочкой. Проверьте себя: вспомните, что Солнце состоит из плазмы и не имеет твёрдой поверхности.

Ошибка — относить хромосферу и корону к внутренним слоям. Путаница возникает из-за слова «слой», которое применяют и к внутреннему строению, и к атмосфере. Проверка простая: над конвективной зоной находятся фотосфера, хромосфера и корона, то есть атмосферные области.

Ошибка — объяснять солнечное излучение горением. Такое сравнение кажется естественным, потому что горение тоже выделяет тепло, однако химические реакции не могли бы поддерживать светимость Солнца столь долго. Проверьте объяснение: источник энергии — термоядерные реакции в ядре, где водород превращается в гелий.

Ошибка — считать, что любое проявление активности обязательно заметно влияет на Землю. Это преувеличение возникает, если не учитывать направление и мощность события, а также взаимодействие частиц с магнитосферой. Чтобы оценить последствия, различайте усиление излучения и приход направленного к Земле потока частиц.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны понятия звезды, атомного ядра, термоядерной реакции, электромагнитного излучения и магнитного поля. Они объясняют, почему Солнце светит, как энергия выходит из ядра и чем вызваны проявления активности. Знания о Солнце пригодятся при изучении звёзд и их эволюции, электромагнитных явлений и магнитосферы Земли. С ними также легче понять, почему заряженные частицы могут вызывать полярные сияния.

Что запомнить

• Солнце — ближайшая к Земле звезда и основной источник энергии для земных процессов.
• Энергия Солнца выделяется главным образом в ядре при термоядерных реакциях.
• Энергия из внутренних областей переносится к поверхности излучением и конвекцией.
• Фотосфера — видимый слой Солнца; над ней расположены хромосфера и корона.
• Солнечная активность связана с изменениями магнитного поля и проявляется, в частности, вспышками и пятнами.
• Излучение и потоки частиц от Солнца могут влиять на околоземное пространство и Землю.