Астрономия

Урок 3: Звезда Солнце

Звезда Солнце

Для Земли Солнце имеет большое значение. Оно не только обеспечивает жителей планеты светом и теплом, но и удерживает Земной шар на своей орбите, не позволяя ему улететь в неизведанные дали космического пространства. Благодаря невероятно высокой температуре, Солнце представляет собой яркий огненный шар, свет от которого долетает даже до самых отдаленных космических тел нашей Солнечной системы.

План урока:

Характеристика Солнца

Солнечная атмосфера и ее строение

Влияние Солнца на Землю и биосферу

Роль магнитных полей на Солнце

Исследование Солнца

Нейтринный телескоп

 

Характеристика Солнца

В центре Солнечной системы расположена типичная звезда-карлик Солнце, которая относится к спектральному классу G2. Расстояние от Земли до нее составляет 150 миллионов километров. Свет, скорость которого равняется 300000 км/с, преодолевает это расстояние за 8 минут. Благодаря тому, что Земной шар находится относительно близко к этому небесному объекту, ученые имеют уникальную возможность изучать процессы, которые там происходят. А по ним судить о подобных процессах на звездах, удаленных от Земли на огромные расстояния. Солнце – это звезда, за которой человечество может наблюдать с Земли невооруженным взглядом. Длительные исследования ученых-астрономов позволили составить достаточно четкую характеристику Солнца как небесного тела.

1 zvezda solnce
 

Строение Солнца:

  • В самом центре звезды расположено ядро. Его радиус 150 тыс. км. Именно здесь происходят основные термоядерные реакции. Благодаря тому, что ядро является достаточно большим, плотность его вещества в 150 раз превышает плотность воды. В ядре температура достигает отметки +13,5 млн градусов. В нем вырабатывается энергия, излучаемая Солнцем. Остальные части звезды обогреваются за счет ядра, так как самостоятельно никакой энергии не выделяют.
  • Зона лучистого переноса – здесь в хаотичном порядке происходит движение фотонов. Для того чтобы они достигли следующего слоя требуется 170 тысяч лет. Верхняя граница зоны проходит по сфере, радиус которой около 490 тыс. км. Здесь температура падает от +7 до +2 млн. градусов.
  • Конвективная зона – представляет собой внешнюю область, считается, что ее толщина достигает 200 тыс. км. Температура достигает отметки +6 тыс. градусов. Здесь в результате конвекции движется плазма. Скорость движения газовых потоков 6 км/с.

2 zvezda solnce

  • Солнечная атмосфера состоит из трех частей:
  • фотосфера;
  • хромосфера;
  • корона.

3 zvezda solnce
Источник

 

Масса, температура и состав Солнца

Масса Солнца составляет около 2*10кг3. Это – 99,866% всей массы Системы, если не учитывать космическую пыль. Его светимость равна 3,86*1023 кВт, а температура фотосферы достигает 6 000 градусов. Конечно, при такой температуре вещество, из которого состоит звезда, не может быть ни твердым, ни жидким. Этот удивительный шар, радиусом 696 000 километров, состоит из постоянно движущихся раскаленных газов. Средняя плотность Солнца составляет 1,416*103 кг/м3. В разных точках температура на поверхности Солнца отличается.  В направлении ядра температура вещества постоянно повышается, и ближе к центру Солнца достигает +15 миллионов градусов.

Спектр Светила помог ученым установить  химический состав Солнца.  Лучи  рождаются в раскаленной фотосфере и на пути преодолевают слой солнечной атмосферы. Каждый элемент, который входит в ее состав, поглощает определенный вид лучей, поэтому спектр солнечного света выглядит как цветная полоса, в которую вплетены темные линии. Именно по этой своеобразной радуге ученые и установили состав хромосферы.

Исходя из результатов полученных исследований, в состав вещества Солнца входит водород. Его  в нем около 73,5%, 24,9% приходится на долю гелия, остальные же элементы составляют только около 1,5% всей массы звезды. Похожий химический состав имеют и газовые планеты-гиганты Солнечной системы. Интересно, что в составе Солнца не обнаружено ни одного химического элемента, которого бы не было на Земле. То есть все тела в нашей Солнечной системе действительно образовались из одного вещества. Вот только элементы в них образуют  различные соединения и могут находиться в различных состояниях.

Солнце вращается вокруг своей оси не как единственное целое. Измерения показывают, что скорости вращения разных участков поверхности звезды отличаются. К примеру, на экваторе период полного вращения составляет 25 земных суток, а у полюсов – 35 суток. Направление вращения Солнца совпадает с направлением вращения вокруг него остальных членов системы и с направлением собственного вращения планет вокруг своих осей (исключением есть Венера, Уран и некоторые спутники).

4 zvezda solnce
Источник

Границы Солнца установить достаточно сложно, поскольку его вещество находится в состоянии плазмы. При таких высоких температурах молекулы движутся так быстро, что над поверхностью образуется солнечная атмосфера, которая простирается далеко в космос и образует «пряди» неодинаковой протяженности.

Еще задолго до изобретения телескопов люди заметили, что время от времени на поверхности Солнца появляются довольно большие темные пятна неправильной формы. Когда же с развитием науки на помощь исследователями пришли технические средства, стало ясно, что такие «украшения» на звезде есть всегда, просто они сменяют друг друга. Одни пятна появляются и сразу исчезают, а другие могут держаться несколько дней, а то и месяцев.

5 zvezda solnce
 

Наблюдая за Солнцем, можно увидеть движение пятен по его поверхности. Это натолкнуло ученых на мысль, что наше Светило не висит в космосе неподвижно, а вращается. Скорость движения пятен помогла рассчитать период вращения звезды. Благодаря проведенным расчетам, как раз и было установлено, что разные зоны Солнца вращаются неодинаково – от 25 до 35 суток.

Ученые считают, что темные пятна – это места выхода в солнечную атмосферу сильных магнитных полей. Поток энергии в этих местах меньше, чем на соседних участках. И поэтому температура пятна снижается. Специалисты определили, что число и размеры пятен на поверхности Светила в разные годы могут сильно различаться. Год, когда подобных образований появляется особенно много, называют годом «максимума» пятен. Затем в течение шести лет они постепенно уменьшаются и, наконец, в год «минимума» пятен почти совсем исчезают. После этого число темных образований снова начинает увеличиваться, они расползаются по поверхности Светила, образуя странные «узоры».

Приблизительно через пять лет опять наступает год максимума. В среднем такой цикл длится 11 лет, но иногда его длительность может затягиваться или уменьшаться. Например, учеными отмечены циклы продолжительностью от 8 до 15 лет. Очень часто около солнечных пятен и у краев солнечного диска можно наблюдать интересные образования. Выглядят они как особо яркие – намного ярче остальной фотосферы – участки чуть вытянутой формы. Они получили название факелов. Температура таких образований обычно выше окружающей на 2 000 градусов, при этом факелы не являются однородными структурами. В каждом из них имеется более плотный и горячий «стержень» размером до 30 000 километров. Естественно, на этом участке светимость выше, чем у краев факела.

6 zvezda solnce
 

Фотосферные факелы – это цепочки ярких гранул, которые обычно окружают группу солнечных пятен. Суммарная площадь таких цепочек в несколько раз больше площади пятен, да и существуют они дольше. В годы максимума солнечной активности факелы занимают до 10% всей солнечной поверхности.

 

Солнечная атмосфера и ее строение

Каждая планета Солнечной системы имеет свою атмосферу. У Солнца, как и у других звезд, внешние слои тоже принято называть атмосферой. Солнечная атмосфера имеет свое строение и особенности. Она состоит из:

  • фотосферы;
  • хромосферы;
  • короны.

Фотосфера – это самый глубокий слой солнечной атмосферы.  Его толщина 200-300 километров. Исследователи именно фотосферу считают поверхностью Солнца, поэтому температура фотосферы равна температуре поверхности Светила и в среднем составляет 6000 градусов. Структура фотосферы зернистая, похожая на гранулы. Здесь как раз и наблюдаются протуберанцы и пятна.

7 zvezda solnce
Протуберанцы 

Протуберанцы представляют собой достаточно большие облака холодного (если сравнивать с остальной поверхностью Светила) газа, которые образуют солнечную корону. Простыми словами – это языки пламени, стремящиеся вырваться из хромосферы.

8 zvezda solnce
 

Хромосфера очень четко видна, когда происходят полные солнечные затмения. С Земли отчетливо наблюдается  яркое кольцо, которое образуется вокруг темного лунного диска, закрывающего Солнце. Хромосфера тянется на 10 000 – 15 000 километров. Температура здесь значительно выше, чем в фотосфере. Плотность же значительно меньше.

Корона – это третий слой солнечной атмосферы. Он относится к разреженным слоям и считается самым обширным и горячим. Температура здесь в 200 раз выше, чем на поверхности Солнца и может  достигать до 3 миллионов градусов. Астрономы до сих пор ищут объяснение этому явлению. Ученые видят корону как лучистое сияние, имеющее перламутровый оттенок. Ее лучи  самые разнообразные: короткие и длинные, прямые и достаточно изогнутые. Самое отличное время для наблюдения – это время полного солнечного затмения. Оно такое короткое, что попытки зарисовать солнечную корону не всегда были удачными. Сделать качественную фотографию тоже не всегда удается. Астрономами было доказано, что вид (форма и  яркость) короны меняется и в разное время она выглядит по-разному. На это также влияет 11–летний цикл солнечной активности. В год максимума пятен корона приобретает круглую форму, ее лучи видны вдоль экватора и на полюсах. В год минимума пятен лучи можно наблюдать в широтах средних и экваториальных. Корона становиться вытянутой и менее  яркой.

 

Источник энергии Солнца

Источником энергии Солнца, как и других звезд, является превращение водорода в гелий, которое происходит в центральной части звезды. Подобный процесс, вызванный слиянием легких ядер в более тяжелые, носит название термоядерной реакции и сопровождается выделением большого количества энергии. Из недр Солнца эта энергия переносится излучением, а во внешнем слое – конвекцией плазмы.

 

Влияние Солнца на Землю и биосферу

Солнце имеет огромное значение для Земного шара. Без него не было бы жизни на планете. От Светила, которое согревает и освещает Землю, зависят  и люди, и даже самые  маленькие организмы. Именно  Солнце влияет на экологию нашей планеты. От него зависит смена времен года, наличие климатических поясов. Солнечный свет необходим для фотосинтеза,  без которого зеленые листья растений не произведут кислород.

Как известно, Солнце «отправляет» в окружающее пространство не только лучи света и радиолучи, но и потоки раздраженной плазмы – мощные шквалы заряженных частиц. Движутся они по силовым линиям магнитного поля. Больше всего это явление напоминает порыв ветра, что каким-то чудом вторгся в безвоздушное пространство космоса. Эти потоки частиц оказывают огромное влияние на всю Солнечную систему. Ученые обнаруживают их даже за орбитами Юпитера и Сатурна. Это явление, которое получило название солнечный ветер, представляет собой истечение сильно разреженной плазмы солнечной короны в межпланетное пространство. На уровне орбиты нашей планеты средняя скорость частиц солнечного ветра (протонов и электронов) составляет около 400 км/с.

Но особое влияние оказывает солнечный ветер на планеты, которые расположены внутри солнечной короны. Наша Земля входит в их число. Когда солнечный ветер приближается к Земле, он сосредотачивается вокруг магнитных полюсов планеты. Потоки частиц врываются в  слои атмосферы и влияют на магнитное поле Земли. Ученые называют колебания, которые вызывают такие потоки, магнитными бурями. Больше всего их происходит в годы максимума пятен, факелов и вспышек. Именно  тогда же на нашей планете чаще бывают сильные грозы.

Магнитные бури плохо влияют на работу самых разных приборов. Компасы вдруг начинают давать сбои в правильности определения севера. Также могут прерываться радиоволны. Начинает давать сбои теле- и радиоаппаратура. Самочувствие некоторых обитателей Земли также значительно ухудшается.

Одним из первых магнитную бурю наблюдал немецкий естествоиспытатель, географ и путешественник А.Гумбольдт.

На земные процессы действуют не только магнитные бури. На климат, например, очень сильно влияют длительные полувековые циклы солнечной активности. Ученые подсчитали, что вспышки особо опасных инфекционных заболеваний на Земле возникают сразу после солнечной активности. То есть в среднем раз в 11 лет. Этот цикл отмечается и в урожайности зерновых, в численности животных и их миграциях. В период солнечной активности обостряются  сердечно-сосудистые заболевания, чаще случаются внезапные смерти людей.

 

Роль магнитных полей на Солнце

Зарождение магнитного поля Солнца происходит под верхним слоем фотосферы. Ученые считают, что именно оно влияет на все процессы, происходящие в солнечной атмосфере, включая солнечные вспышки. Если бы у небесного Светила не было бы магнитных полей, то возможно оно бы не вызывало такого интереса у человечества.

9 zvezda solnce
 

Магнитные поля влияют на образование солнечных пятен, в местах появления которых выходят магнитные петли, способные пересекать всю поверхность Светила. В области пятен магнитное поле всегда сильное, его напряжение в тысячу раз больше, чем в других областях. Это поле отклоняет заряженные частики плазмы и препятствует образованию конвекционных потоков. Именно поэтому в области пятен подъем горячего газа прекращается, что приводит к более низким температурам. В области факела магнитное поле уже не такое сильное. Оно не способно остановить вертикальные конвекционные потоки плазмы. Колебания магнитных полей оказывают прямое воздействие на цикличность солнечной активности. Протуберанцы, которые, кажется, что парят в воздухе, на самом же деле удерживаются тончайшими нитями магнитного поля.

Магнитное поле Солнца меняет не только свое направление, но и величину скорости заряженных частиц. Кроме этого оно способно создавать направленное движение плазмы. В результате этого образуются мощнейшие потоки плазмы, выбрасывающие огромные массы газа в солнечную корону. Так образуются протуберанцы.

10 zvezda solnce
Образование протуберанцев Источник

 

Исследование Солнца

Небесное Светило уже на протяжении многих тысячелетий вызывает восторг и интерес у человечества. У предков оно было главным объектом мифов и сказаний, о нем складывали легенды. Древние народы называли Солнце – Сол, Сурья, Сольвенел, Уту, Ра, Шамас, некоторые изображали его в виде восходящей к небу колесницы. Звезде поклонялись, а майя, ацтеки и инки считали, что она нуждается в человеческих жертвах.

В честь Солнца возводили дворцы и строили храмы. До сих пор в Англии, Ирландии, Мальте и Египте сохранились каменные мегалиты, с помощью которых определяли дни летнего и зимнего солнцестояния. Первобытные методы исследования Солнца давали мало достоверной информации о звезде, так как объект ассоциировался с божеством.

11 zvezda solnce
Каменные мегалиты в Англии  

Первые научные работы стали появляться лишь в I тыс. до н.э. – вавилонские мудрецы отметили, что небесное светило перемещается по эклиптике неодинаково.

В V столетии до н.э. утверждали, что Солнце представляет собой огненный шар, а его свет отражается от лунного диска. Спустя два века Эратосфен вычислил расстояние от Земли до Светила - 148-153 млн. км.

Существенный перелом в астрономии произошел, когда Николай Коперник предложил гелиоцентрическую модель мира, в которой Солнце являлось центром Вселенной. А в XVII веке, после появления телескопа, удалось отобразить первые детали звезды. 

Активное изучение Светила началось лишь в ХХ веке с приходом технического прогресса. В середине ушедшего столетия в космос были запущены спутники Пионеры – 5, 6, 7, 8, 9. Именно с их помощью были получены первые представления о магнитных полях на звезде и солнечном ветре. В 70-е годы имеющиеся данные уточнили благодаря Гелиос 1 и 2, которые смогли достичь орбиты Меркурия.

В 80-е годы ХХ века занялись изучением рентгеновских, гамма и УФ-лучей. В 1991-2001 г спутник Yohkoh наблюдал за солнечными вспышками. В 1995 году начала функционировать космическая обсерватория – SOHO, в 2010 ее сменила SDO.

Исследования Светила на этом не заканчиваются, так как от его активности зависит дальнейшее будущее человечества. Ни для кого уже не секрет, что активность Солнца, так или иначе, влияет на Землю. Звезда является мощным источником радиации, от которой нас спасает только магнитное поле нашей планеты. В ближайшем будущем планируется запуск зондов, которые будут отслеживать и фиксировать все перемены на Светиле, а также измерять частички и энергию солнечной короны.

 

Нейтринный телескоп

Нейтринный телескоп необходим для того, чтобы исследовать Вселенную и выяснять причины возникновения высокоэнергетических излучений в космосе.

Нейтрино представляет собой элементарную частичку, которая очень слабо взаимодействует с веществом. Благодаря такой особенности эта частичка способна за доли секунды пролететь сквозь Земной шар и даже не заметить его. Открытие нейтрино выводит астрономические исследования совершенно на новый уровень. Нейтрино способны проникать через любую материю, не поглощаться космической пылью и не взаимодействовать с магнитными полями. Каждую секунду через человека пролетают триллионы таких частичек, а он этого даже не замечает. В космическом пространстве источник нейтрино – звезды и планеты.

Строительство нейтринного телескопа является масштабным и дорогостоящим проектом. Чтобы избавиться от фонового излучения окружающей среды располагаться он должен под землей. В 1960 году М.А. Марков в качестве альтернативы предложил расположить телескоп под толщей воды.

На сегодняшний день существует несколько проектов создания телескопов. Один из них – Байкальский нейтринный телескоп.

12 zvezda solnce
Строительство Байкальского нейтринного телескопа 

Для создания такой аппаратуры весомое значение имеет прозрачность воды. Байкал является самым большим в мире природным резервуаром с пресной водой. Слой льда, которым покрывается озеро в зимнее время, позволяет устанавливать оборудования без использования каких-либо специальных судов. Первая версия Байкальского нейтринного телескопа была запущена в 1998 году и состояла из 192 фотодетекторов. Они были погружены на глубины до 1300 метров. Но на этом строительство объекта не закончилось. Специалисты начали работать над разработкой телескопа нового поколения BAIKAL-GVD, мощность которого в разы бы превышала его предшественника. Модульная конструкция позволяет запускать прибор поэтапно. Так в 2015 году активировали первый кластер телескопа - «Дубна».

13 zvezda solnce
Схема одного кластера Байкальского нейтринного телескопа Источник

На сегодняшний день запущены уже 5 кластеров, в составе которых 1440 оптических модулей. Окончание строительства планируется в 2021 году, что позволит сделать установку одной из крупнейших во всем мире.

14 zvezda solnce
Оптический модуль 

Еще один нейтринный телескоп расположен в Антарктиде. Он носит название IceCube и является крупнейшим в мире. В 2013 году зафиксировали первые нейтрино высоких энергий, которые родились далеко за пределами Солнечной системы. Еще один нейтринный телескоп располагается в Средиземном море. Планируется, что все три телескопа войдут в международную нейтринную обсерваторию и сделают колоссальный прорыв в исследовании космоса, и непосредственно Солнца.

Солнце таит в себе еще немало загадок. Их предстоит разгадывать новым поколениям ученых. Ведь звезда, которая дает нам свет и тепло, - это неисчерпаемый объект для исследований.

 

ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

Вопрос: 1
К какому спектральному классу относится Солнце:
1G-1
2G-2
3G-3
4G-4
Ответить
2
Вопрос: 2
Как называется нейтринный телескоп, расположившийся на территории России:
1Аральский
2Каспийский
3Амурский
4Байкальский
Ответить
4
Вопрос: 3
Как называется самая нижняя часть солнечной атмосферы:
1Фотосфера
2Хромосфера
3Тропосфера
4Корона
Ответить
1
Вопрос: 4
В какой части Солнца зарождаются термоядерные реакции:
1Атмосфере
2Лучистой зоне
3Ядре
4Конвективной зоне
Ответить
3
Вопрос: 5
Какая температура на поверхности Солнца:
1+4 тыс. градусов
2+6 тыс. градусов
3+1,5 млн. градусов
4+8 тыс. градусов
Ответить
2
Допущено ошибок:
Оценка:
Подробнее
Ваши ответы:
1 вопрос:

К какому спектральному классу относится Солнце:
1) G-1 2) G-2 3) G-3 4) G-4
2 вопрос:

Как называется нейтринный телескоп, расположившийся на территории России:
1) Аральский 2) Каспийский 3) Амурский 4) Байкальский
3 вопрос:

Как называется самая нижняя часть солнечной атмосферы:
1) Фотосфера 2) Хромосфера 3) Тропосфера 4) Корона
4 вопрос:

В какой части Солнца зарождаются термоядерные реакции:
1) Атмосфере 2) Лучистой зоне 3) Ядре 4) Конвективной зоне
5 вопрос:

Какая температура на поверхности Солнца:
1) +4 тыс. градусов 2) +6 тыс. градусов 3) +1,5 млн. градусов 4) +8 тыс. градусов
Посмотреть ответы
Правильные ответы:
1 вопрос: G-2
2 вопрос: Байкальский
3 вопрос: Фотосфера
4 вопрос: Ядре
5 вопрос: +6 тыс. градусов