"Физика (базовый и углублённый уровни) (в 2 частях)", Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И.; под ред. Орлова В.А. (ч.1); Генденштейн Л.Э., Кошкина А.В., Левиев Г.И. (ч. 2)
Солнце — огромный шар раскалённой плазмы, в котором энергия образуется в ядре при превращении водорода в гелий. От центра к поверхности температура и плотность вещества в целом уменьшаются, поэтому энергия переносится по-разному: сначала излучением, затем движением плазмы. Видимый свет выходит главным образом из фотосферы, а выше неё находятся разреженные хромосфера и корона.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Ядро Солнца — центральная область, где при огромных температуре и плотности происходят термоядерные реакции и выделяется энергия. В нём ядра водорода превращаются в ядра гелия. Это главный источник энергии Солнца.
Зона лучистого переноса — слой, в котором энергия передаётся наружу главным образом поглощением и испусканием электромагнитного излучения. Частица света многократно меняет направление и постепенно продвигается к внешним слоям. Такой слой нужен для переноса энергии через плотную плазму.
Конвективная зона — внешний слой Солнца, где энергия переносится потоками горячего и холодного вещества. Нагретая плазма поднимается, остывшая опускается, и возникает конвекция. Благодаря этому энергия быстрее достигает поверхности.
Фотосфера, хромосфера и корона — внешние слои солнечной атмосферы, различающиеся температурой, плотностью и видимостью. Фотосфера выглядит как поверхность Солнца, хромосфера расположена выше, а корона простирается ещё дальше в космос. Их изучение позволяет наблюдать излучение и активность внешних областей.
Термоядерные реакции идут в ядре, потому что там вещество сжато гравитацией до огромной плотности, а температура достигает миллионов кельвинов. Ядра водорода движутся очень быстро и часто сталкиваются, несмотря на электрическое отталкивание. При их соединении образуется гелий, а разность масс превращается в энергию по закону E = mc².
Рождённая энергия сначала проходит через зону лучистого переноса. Фотоны постоянно поглощаются частицами и снова испускаются, поэтому один и тот же квант не летит прямо от ядра к поверхности. В среднем энергия медленно распространяется наружу, хотя отдельные фотоны движутся со скоростью света между столкновениями.
По направлению от центра к поверхности давление, плотность и температура в целом уменьшаются. Из-за изменения плотности и прозрачности плазмы внешние слои уже не могут так эффективно передавать энергию только излучением. Поэтому в конвективной зоне возникают перемещения вещества: горячие участки поднимаются, отдают энергию и опускаются после охлаждения.
Фотосфера считается видимой поверхностью не потому, что она твёрдая, а потому, что плазма над ней становится достаточно прозрачной для видимого света. Именно оттуда в основном приходит излучение, которое воспринимает глаз или телескоп. Над фотосферой находятся хромосфера и корона, но их обычно труднее увидеть на фоне яркой фотосферы.
Корона отличается от фотосферы очень высокой температурой — миллионами кельвинов, — и чрезвычайно малой плотностью. В разреженной плазме энергия частиц может быть большой, хотя вещества там мало. Нагрев связывают с магнитными полями, волнами и процессами в солнечной плазме, поэтому температура короны не определяется простым движением от горячего центра к холодной поверхности.
В таблице слои расположены от центра Солнца к внешним областям. Столбец «Основной процесс» показывает, что происходит в слое, а столбец о переносе энергии — каким способом энергия движется дальше. У фотосферы, хромосферы и короны особенно полезно сравнивать наблюдаемые особенности.
| Слой | Расположение | Основной процесс | Способ переноса энергии | Наблюдаемые особенности |
|---|---|---|---|---|
| Ядро | Центральная область | Термоядерное превращение водорода в гелий | Образование энергии; далее излучение | Непосредственно не видно |
| Зона лучистого переноса | Над ядром | Поглощение и испускание фотонов | Излучение | Наблюдается косвенно |
| Конвективная зона | Между лучистой зоной и фотосферой | Перемещение плазмы | Конвекция | Связана с грануляцией поверхности |
| Фотосфера | Видимый внешний слой | Испускание видимого света | Излучение в космос | Видимый диск Солнца, пятна |
| Хромосфера | Над фотосферой | Излучение и движение плазмы | Излучение и перенос плазмой | Видна при затмениях и в специальных приборах |
| Корона | Самая внешняя область атмосферы | Движение горячей разреженной плазмы | Излучение и магнитные процессы | Солнечный венец, корональные выбросы |
Условие. Расположить ядро, зону лучистого переноса, конвективную зону, фотосферу, хромосферу и корону по удалению от центра и указать перенос энергии во внутренних слоях.
Решение. Сначала отделим область, где энергия рождается, от областей, где она перемещается. Затем расположим атмосферные слои после фотосферы.
Ответ. Последовательность указана выше; основные способы переноса — излучение в лучистой зоне и конвекция во внешней внутренней зоне.
Условие. Температура фотосферы T = 5800 К, радиус Солнца R = 6,96·10⁸ м. Оценить мощность излучения, считая фотосферу абсолютно чёрным телом. Использовать σ = 5,67·10⁻⁸ Вт/(м²·К⁴).
Решение. Для чёрного тела мощность с единицы площади равна σT⁴, а площадь сферической поверхности равна 4πR².
Ответ. Мощность излучения Солнца примерно равна 3,9·10²⁶ Вт.
Условие. Радиус звезды увеличился в 2 раза, а температура поверхности уменьшилась в 2 раза. Во сколько раз изменилась её мощность излучения?
Решение. Для излучающей поверхности L ∝ R²T⁴. Поэтому отдельно найдём влияние радиуса и температуры, а затем перемножим полученные множители.
Ответ. Мощность уменьшится в 4 раза.
Считать фотосферу твёрдой поверхностью неправильно: это слой плазмы, откуда в основном выходит видимый свет. Ошибка возникает из-за чётко видимого края солнечного диска. Проверка проста: вспомните, что у Солнца нет твёрдой границы.
Нельзя утверждать, что энергия во всех слоях переносится излучением. В конвективной зоне главным механизмом служит движение плазмы, потому что её свойства позволяют горячим потокам подниматься. Проверяйте название зоны и связывайте слово «конвекция» с переносом вещества.
Не следует путать температуру с плотностью. В целом к поверхности обе величины уменьшаются, но корона одновременно очень горячая и крайне разреженная. Значит, высокая температура не означает большую плотность вещества.
Ошибочно считать, что энергия одинаково образуется во всей толще Солнца. Основной источник находится в ядре, а остальные слои в основном переносят энергию наружу. Для самопроверки спросите себя, где достаточно высоки температура и плотность для термоядерных реакций.
Для понимания строения Солнца нужны знания о строении атома, ядерных реакциях и превращении массы в энергию. Также применяются представления о теплопередаче и излучении нагретых тел, включая закон Стефана—Больцмана.
Эта тема помогает изучать источники энергии звёзд, их спектры и излучение. Она также связана с солнечной активностью и влиянием солнечного излучения на Землю.
Почему Солнце светится, если в нём нет горения в обычном смысле?
Солнце светится не из-за химического горения, а благодаря термоядерным реакциям в ядре. Ядра водорода соединяются, образуя гелий, а часть массы превращается в энергию и затем выходит в виде излучения.
Почему энергия сначала переносится излучением, а затем конвекцией?
Во внутренних слоях вещество настолько плотное, что энергия многократно поглощается и испускается частицами, поэтому перенос идёт излучением. Ближе к поверхности плазма становится менее плотной и непрозрачность меняется, поэтому горячее вещество поднимается, а холодное опускается.
Есть ли у Солнца твёрдая поверхность?
Твёрдой поверхности у Солнца нет: оно состоит из плазмы. Фотосферой называют условную видимую границу, откуда в космос выходит основная часть наблюдаемого света.
Почему корона горячее фотосферы?
Точная причина нагрева короны связана с передачей энергии магнитными полями и волнами в плазме. При этом корона очень разрежена, поэтому её высокая температура означает большую энергию отдельных частиц, а не сильное нагревание плотного вещества.
Как учёные узнают о строении областей, которые нельзя увидеть напрямую?
О строении Солнца судят по его спектру, колебаниям, излучению в разных диапазонах и движению вещества. Теоретические модели проверяют, сравнивая их предсказания с наблюдаемыми температурой, светимостью и химическим составом.
2. Строение Солнца
