2. Строение Солнца

Определения и обозначения

Ядро Солнца — центральная область, где при высокой температуре и давлении идут термоядерные реакции и выделяется энергия. Иными словами, это главный источник энергии звезды. Понятие нужно, чтобы связать солнечное излучение с процессами внутри Солнца, а не считать его внешним свойством.

Лучистая зона — область, в которой энергия переносится наружу главным образом излучением, многократно поглощаемым и переизлучаемым веществом. Фотоны движутся не по прямой, а совершают множество взаимодействий с частицами. Эта зона объясняет, почему путь энергии от ядра к поверхности занимает очень много времени.

Конвективная зона — внешняя внутренняя область Солнца, где энергия переносится потоками нагретого и охлаждённого вещества. Горячая плазма поднимается, а более холодная опускается. Такое определение помогает отличать движение самого вещества от переноса энергии излучением.

Фотосфера — видимый слой Солнца, из которого выходит основная часть наблюдаемого излучения. Это газовая, или плазменная, область, а не твёрдая поверхность. По фотосфере мы судим о температуре, цвете, пятнах и других свойствах Солнца.

Как это устроено

В ядре возможны термоядерные реакции, потому что температура достигает миллионов кельвинов, а давление очень велико. При таких условиях ядра водорода движутся быстро и часто сталкиваются, а электростатическое отталкивание между ними частично преодолевается. В результате образуются более тяжёлые ядра, а разность масс превращается в энергию.

Из ядра энергия проходит через лучистую зону в виде излучения. Каждый фотон многократно взаимодействует с веществом: поглощается, переизлучается и меняет направление движения. Поэтому путь наружу получается намного длиннее расстояния от ядра до поверхности, а передача энергии занимает значительное время.

Во внешних внутренних слоях вещества перенос излучением становится менее эффективным. Нагретые слои расширяются, становятся менее плотными и поднимаются, а остывшее вещество опускается под действием силы тяжести. Возникает конвекция — перенос энергии крупными потоками плазмы, который связан с явлением грануляции на поверхности.

Видимая атмосфера Солнца состоит из фотосферы, хромосферы и короны. Хромосфера расположена над фотосферой и заметнее при специальных наблюдениях, например во время полного солнечного затмения или с помощью фильтров. Корона простирается ещё дальше, очень разрежена и хорошо видна во время затмения либо с помощью специальных приборов.

Перенос энергии из недр к фотосфере определяет наблюдаемое излучение Солнца. Неоднородности и движения плазмы создают пятна, вспышки и другие проявления солнечной активности, особенно связанные с магнитным полем. Поэтому строение Солнца связывает внутренние процессы с его светом, спектром и воздействием на Землю.

Слои Солнца и перенос энергии

Таблицу удобно читать сверху вниз: сначала проследите путь энергии от ядра к внешним слоям, а затем сравните способы наблюдения. Границы областей не являются твёрдыми стенками: физические условия меняются постепенно. Особенно важно не смешивать фотосферу, которую мы видим, с внутренними зонами, доступными главным образом для косвенного изучения.

Разбор задач

Задача 1

Вычислим энергию, которую Солнце излучает за 10 с при мощности 3,8·10²⁶ Вт. Мощность показывает, какая энергия передаётся за единицу времени, поэтому нужно умножить её на продолжительность излучения. Полученное значение характеризует энергию, выделенную и излучённую Солнцем за этот короткий промежуток времени.

1. Записываем связь энергии, мощности и времени: E = Pt.
2. Подставляем данные: E = 3,8·10²⁶ Вт · 10 с.
3. Учитываем, что 1 Вт = 1 Дж/с, и получаем E = 3,8·10²⁷ Дж.

Ответ: за 10 с Солнце излучает 3,8·10²⁷ Дж. Это огромная энергия, источник которой находится в его ядре.

Задача 2

Оценим среднюю плотность Солнца по массе 2,0·10³⁰ кг и радиусу 7,0·10⁸ м. Сначала найдём объём Солнца как объём шара, затем разделим массу на объём. Среднее значение нужно отличать от плотности ядра: внутри звезды вещество распределено неоднородно.

1. Объём шара равен V = 4πR³/3.
2. При R = 7,0·10⁸ м получаем V ≈ 1,44·10²⁷ м³.
3. Средняя плотность ρ = M/V ≈ (2,0·10³⁰)/(1,44·10²⁷) ≈ 1,4·10³ кг/м³.

Ответ: средняя плотность Солнца примерно равна 1,4·10³ кг/м³, или 1,4 г/см³. В ядре плотность значительно больше, а внешние слои имеют меньшую плотность, поэтому среднее значение их сглаживает.

Задача 3

Оценим мощность излучения Солнца как абсолютно чёрного тела с температурой фотосферы 5800 К и радиусом 7,0·10⁸ м. Используем закон Стефана—Больцмана, связывающий мощность излучения поверхности с её площадью и температурой. Проверка нужна, чтобы увидеть, согласуется ли простая модель с известной светимостью 3,8·10²⁶ Вт.

1. Записываем формулу для шара: L = 4πR²σT⁴, где σ ≈ 5,67·10⁻⁸ Вт/(м²·К⁴).
2. Площадь поверхности 4πR² примерно равна 6,2·10¹⁸ м².
3. Подстановка T = 5800 К даёт L ≈ 3,8·10²⁶ Вт.

Ответ: мощность получается около 3,8·10²⁶ Вт. Совпадение по порядку величины показывает, что фотосферу в первом приближении можно описывать как излучающую поверхность с температурой около 5800 К.

Типичные ошибки

Считать фотосферу твёрдой поверхностью. Ошибка возникает из-за того, что именно её видит наблюдатель. Проверьте себя: фотосфера — слой газа или плазмы, из которого выходит свет, а не каменная оболочка.

Путать лучистый и конвективный перенос. В обоих случаях энергия движется наружу, поэтому способы переноса иногда смешивают. Запомните проверку: в лучистой зоне энергию несут фотоны, а в конвективной — движущееся вещество.

Представлять слои как пустые оболочки с резкими границами. Такая модель удобна для схемы, но физически условия в Солнце меняются постепенно. Если граница кажется твёрдой стенкой, вспомните, что все области заполнены плазмой и переходят одна в другую.

Считать, что температура в атмосфере всё время убывает с высотой. Температура действительно падает от фотосферы к верхней хромосфере, но в короне снова становится очень высокой. Сверяйте вывод с фактом: корона горячее фотосферы, хотя её вещество гораздо более разрежено.

Связь с другими темами

Для понимания строения Солнца нужны знания о строении атома и ядра, термоядерных реакциях, теплопередаче и характеристиках излучения. Эти темы объясняют, откуда берётся энергия, как она перемещается и почему поверхность имеет определённую температуру.

Знания о Солнце пригодятся при изучении звёзд, источников энергии и спектров излучения. Они также помогают понять солнечную активность, вспышки, солнечный ветер и влияние Солнца на околоземное пространство.

Что запомнить

• Основной источник энергии Солнца — термоядерные реакции в ядре.
• Энергия из недр переносится наружу сначала излучением, затем конвекцией.
• Фотосфера — видимая поверхность Солнца, но не твёрдая оболочка.
• Над фотосферой располагаются хромосфера и корона.
• Строение Солнца связано с переносом энергии от ядра к атмосфере.
• Температура короны значительно выше температуры фотосферы.