Солнце и Солнечная система

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Солнце играет исключительную роль в жизни Земли. Весь органический мир нашей планеты обязан Солнцу своим существованием. Солнце - не только источник света и тепла, но и первоначальный источник многих других видов энергии (энергии нефти, угля, воды, ветра).

Издавна у разных народов Солнце было объектом поклонения. Его считали самым могущественным божеством. Культ непобедимого Солнца был одним из самых распространенных (Гелиос - греческий бог Солнца, Аполлон - бог Солнца у римлян, Митра - у персов, Ярило - у славян и т. д.). В честь Солнца воздвигали храм, слагали гимны, приносили жертвы. Ушло в прошлое религиозное поклонение дневному светилу. Сейчас ученые исследуют природу Солнца, выясняют его влияние на Землю, работают над проблемой применения практически неиссякаемой солнечной энергии.

Солнце - это наша звезда. Изучая Солнце, мы узнаем о многих явлениях и процессах, происходящих на других звездах и недоступных непосредственному наблюдению из-за огромных расстояний, которые отделяют нас от звезд.

Происхождение Солнечной системы

По современным представлениям, Солнце, планеты и все другие тела Солнечной системы образовались из единого газопылевого облака, или туманности, приблизительно 4,6 млрд. лет назад. Полагают, что облако возникло в одной из ветвей Галактики в виде дисперсной вращающейся среды. Постепенно уплотняясь под влиянием гравитационного сжатия и убыстряя свое вращение, оно приобрело форму диска. В результате все большего уплотнения вещество облака разогревалось и в центральной области достигло таких высоких температур, что там начали развиваться ядерных реакции. В дальнейшем из центральной части облака образовалось Солнце, а из сгущений твердого материала - планеты, обращающиеся вокруг светила, и спутники многих планет.

Такова в самых общих чертах гипотеза образования Солнечной системы, возникшая более 300 лет назад и уже тогда получившая название небулярной гипотезы (небула (лат.) - туманность). Впервые эта гипотеза была выдвинута в 1644 году Декартом, но широко известной она стала как космическая небулярная гипотеза Канта-Лапласа, изложенная в знаменитых творениях этих мыслителей ХVII. Немецкий ученый и философ И.Кант в 1755 году опубликовал свой классический труд «Всеобщая естественная история теория неба». А в 1796 году вышла в свет известная книга французского астронома и физика П.С. Лапласа «Изложение системы мира».

Он полагал, что Солнце и планеты образовались из горячей вращающейся туманности, первичные сгущения вещества которой и явились зародышами и самого светила, и планет, впоследствии разросшихся до современных размеров.

В представлении Канта, наоборот, вещество туманности первоначально было холодным. Разогрев его произошел позже, в процессе уплотнения и убыстрения вращения облака со сгустками - зародышами будущих планет. Таким образом, представление Канта о происхождении Солнечной системы более, чем Лапласа, совпадает с современными воззрениями.

В течение ХIХ и начала ХХ столетий помимо рассмотренной предлагались и другие космические гипотезы, но они оказались несостоятельными и в 40-х годах текущего столетия все были отвергнуты. Соответственно произошел возврат к классической гипотезе Канта-Лапласа.

В апреле 1972 года в Ницце проходил Международный симпозиум по проблеме происхождения Солнечной системы. Опубликованные материалы свидетельствуют, что проблема необыкновенно сложна и важные трудоемкие исследования в этой области позволяют уяснить лишь некоторые ее стороны. Покоренным же вопросам преобладают преимущественно умозрительные соображения. Единственно, в чем мнения космологов сходятся, так это в том, что тела Солнечной системы образовались из единого первичного холодного газопылевого облака, или туманности. Космические тела формировались из твердых распыленных частиц, объединенных в плотные компактные массы компонентами первичной газовой среды, главным образом легкого состава - водорода и гелия.

Строение Солнечной системы

Солнце и находящиеся в поле его тяготения планеты и их спутники, астероиды, кометы и другие тела образуют одну из бесчисленных вращающихся систем Вселенной, число которых только в нашей Галактике оценивается поистине астрономической величиной - от 100 до 250 млрд. Солнечная система состоит из Солнца, представляющего собой обычную желтоватую звезду, девяти планет и их приблизительно 32 спутников, многих тысяч астероидов, или малых планет, многих миллионов комет, метеорных тел, межпланетного газа и пыли. Центральное положение в Солнечной системе занимает Солнце. Его масса приблизительно в 750 раз превосходит массу всех остальных тел, входящих в эту систему. Гравитационное притяжение Солнца является главной силой, определяющих движение всех обращающихся вокруг него тел Солнечной системы. Среднее расстояние от Солнца до самой далекой от него планеты Плутон 39, 5 а. е., т. е. 6 млрд. км, что очень мало по сравнению с расстояниями до ближайших звезд.

Только некоторые кометы удаляются от Солнца на 100000 а. е. и подвергаются воздействию притяжения звезд. Пространство, занимаемое Солнечной системой, пронизано различного рода потоками энергии, исходящими из Вселенной, из Галактики и от ее звезд, из межпланетной среды, от каждой планеты и других космических тел, но главное - от Солнца. Все межпланетное пространство занято различными физическими полями, свойственными космическим телам, - гравитационным, магнитным, тепловым, электрическим и другими. Взаимодействием потоков энергии и физических полей, космических тел, их взаимосвязанных движений и создается единство Солнечной системы.

На основе закона всемирного тяготения построен весь механизм движения тел системы - обращение их вокруг Солнца, которое силой своего притяжения удерживает вокруг себя планеты и другие космические объекты на их приблизительно круговых орбитах. В свою очередь каждая планета и всякое другое космическое тело притягивают Солнце и все другие тела с силой, зависящей от их массы и удаленности от светила.

С увеличением расстояния взаимодействующих тел сила их притяжения уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния между ними.

В таблице 1 приведены данные о расстоянии планет от Солнца.

Таблица

Почти все крупные тела Солнечной системы - планеты и астероиды, а также кометы - вращаются вокруг Солнца в одном направлении - против часовой стрелки, если смотреть со стороны Северного полюса мира, находящегося где-то в бесконечности - на северном продолжении оси вращения Земли. В том же направлении происходит вращение планет вокруг своих осей. Исключения составляют лишь Венера и Уран, а также некоторые спутники Юпитера и Сатурна, имеющие противоположное вращение - по часовой стрелке. Плоскости орбит планет близки к плоскости видимого с Земли годового движения Солнца - эклиптике, отклоняясь от нее всего на несколько градусов. Только орбитальная плоскость Земли совпадает с эклиптикой, которая нередко определяется как плоскость обращения Земли вокруг Солнца. В свою очередь эклиптика расположена по отношению к солнечному экватору под углом 7⁰ 15'.

Планеты обладают различной скоростью движения по своим орбитам, в чем наблюдается такая закономерность: чем ближе планета находится к Солнцу, тем орбитальная скорость у нее больше. У Меркурия, планеты, ближе всего расположенной к Солнцу, орбитальная скорость наибольшая - 47, 9 км/сек; у планеты Сатурн она составляет лишь 9,6 км/сек, а у Плутона, самой удаленной планеты от Солнца, скорость наименьшая - всего 4,7 км/сек. В соответствии с длиной пути и скоростью движения планеты находится и время ее облета светила, т. е. продолжительность года. Меркурий совершает свой полный облет вокруг Солнца за 88 земных суток, а Плутон - за 247 земных лет.

Солнечная система имеет в поперечнике более 12 млрд. км, что определяется диаметром круговой орбиты самой удаленной от светила планеты Плутон. Это примерно в 1 млн. раз больше диаметра Земли, но составляет всего лишь 1/1000 расстояния до ближайшей к нам звезды Проксима - Центавра (или А Центавра): до нее 9,463х10¹² км! Это расстояние настолько велико, а будучи выраженным привычными нам, землянам, единицами измерения длины в километрах, представляет такое колоссальное число, которое мы реально не воспринимаем. Поэтому в астрономии, где масштабы расстояний совершенно иные, чем в пределах нашей планеты, применяется другая единица измерения расстояний - световой год. Световой год - это такое огромное расстояние, которое луч света, распространяясь со скоростью 300 000 км/сек, преодолевает за год. Расстояние от Земли до Солнца, составляющее 150 млн. км, луч света преодолевает всего за 8 минут, а чтобы пересечь всю Солнечную систему, ему потребуется около полусуток. До ближайшей к нам звезды А Центавра свет доходит за 4,238 световых года. Указанное расстояние между Землей и звездой А Центавра считается обычным расстоянием между звездами Галактики, средняя удаленность которых друг от друга приблизительно в 4-6 световых лет.

Другой частью применяемой в астрономии мерой расстояния является астрономическая единица (а. е.). Она равна среднему расстоянию от Земли до Солнца.

Солнечная система входит в состав бесчисленного скопления звезд, туманностей и других образований еще более крупной системы Галактики. На темном небе ночного неба мы наблюдаем Галактику как бы в разрезе, и, поскольку в целом ее форма напоминает диск, она представляется нам как светлая полоса, образованная светящимися точками далеких звезд. Эта звездная полоса на небосводе еще в давно прошедшие времена получила название Млечного пути, сохранилось оно и до нашего времени. Но понимание его сущности крайне изменилось - от произвольного мифологического суждения до современного физического осмысления. Поперечник Галактики составляет 68 тыс. световых лет. Толщина диска Галактики в 8 раз меньше его диаметра. В одной из ветвей Галактики и находится Солнечная система, которая делает полный оборот вокруг центра этого скопления звезд Галактике приблизительно за 200 млн. лет, двигаясь по своей орбите со скоростью 250 км/сек. Это в 8 раз быстрее движения Земли вокруг Солнца (29,8 км/сек).

Наша Галактика, а в не входят миллиарды звездных систем, одной из которых является Солнечная система, представляет собой характерное скопление во Вселенной космических объектов - звезд, планет, туманностей и др. Эти скопления вещества и есть галактики (слово пишется с маленькой буквы, и только в отношении нашей Галактики делается исключение, ее пишут с заглавной буквы).

Основные слои в атмосфере Солнца

Солнце - центральное тело Солнечной системы - представляет собой очень горячий плазменный шар. Солнце - ближайшая к земле звезда. Свет от него доходит до нас за 8 1/3 мин. Солнце решающим образом повлияло на образование всех тел Солнечной системы и создало те условия, которые привели к возникновению и развитию на Земле жизни.

Радиус Солнца в 109 раз, а объем примерно в 1 300 000 раз больше соответственно радиуса и объема Земли. Велика и масса Солнца. Она примерно в 330 000 раз больше массы Земли и почти в 750 раз больше суммарной массы движущихся вокруг него планет.

Солнце, вероятно, возникло вместе с другими телами Солнечной системы из газопылевой туманности. Примерно 5 млрд. ле6т назад. Сначала вещество Солнца сильно разогревалось из-за гравитационного сжатия, но вскоре температура и давление в недрах настолько увеличились, что самопроизвольно начали происходить ядерные реакции. В результате этого очень сильно поднялась температура в центре Солнца, а давление в его недрах возросло настолько, что смогло уравновесить силу тяжести и остановить гравитационное сжатие. Так возникла современная структура Солнца. Эта структура поддерживается происходящим в его недрах медленным превращением водорода в гелий. За 5 млрд. лет существования Солнца уже около половины водорода в его центральной области превратилось в гелий. В результате этого процесса выделяется то количество энергии, которое Солнце излучает в мировое пространство.

Мощность излучения Солнца очень велика: она равна 3,8?10²⁰ МВт. На Землю попадает ничтожная часть солнечной энергии, составляющая около половины миллиардной доли. Она поддерживает в газообразном состоянии земную атмосферу, постоянно нагревает сушу и водоемы, дает энергию ветрам и водопадам, обеспечивает жизнедеятельность животных и растений. Часть солнечной энергии запасена в недрах Земли в виде каменного угля, нефти и других полезных ископаемых.

Солнце представляет собой сферически симметричное тело, находящееся в равновесии. Всюду на одинаковых расстояниях от центра этого шара физические условия одинаковы, но они заметно меняются по мере приближения к центру. Плотность и давление быстро нарастают вглубь, где газ сильнее сжат давлением выше лежащих слоев. Следовательно, температура также растет по мере приближения к центру. В зависимости от изменения физических условий Солнце можно разделить на несколько концентрических слоев, постепенно переходящих друг в друга.

В центре Солнца температура составляет 15 млн. градусов, а давление превышает сотни миллиардов атмосфер. Газ сжат здесь до плотности около 1,5х10⁵ кг/м³. Почти вся энергия Солнца генерирует в центральной области с радиусом примерно в 1/3 солнечного. Через слои, окружающие центральную часть, эта энергия передается наружу. На протяжении последней трети радиуса находится конвективная зона. Причина возникновения перемешивания (конвекция) в наружных слоях Солнца та же, что и в кипящем чайнике: количество энергии, поступающее от нагревателя, гораздо больше того, которое отводится теплопроводностью. Поэтому вещество вынужденно приходит в движение и начинает само переносить тепло.

Слои Солнца фактически ненаблюдаемы. Об их существовании известно либо из теоретических расчетов, либо на основании косвенных данных. Над конвективной зоной располагаются непосредственно наблюдаемые слои Солнца, называемые его атмосферой. Они лучше изучены, так как об их свойствах можно судить из наблюдений.

Внутреннее строение Солнца слоистое, или оболочечное, оно дифференцировано на сферы, или области. В центре находится ядро, затем область лучевого переноса энергии, далее конвективная зона и, наконец, атмосфера. К ней ряд исследователей относят три внешние области: фотосферу, хромосферу и корону. Правда, другие астрономы к солнечной атмосфере относят только хромосферу и корону.

Ядро - центральная область Солнца со сверхвысоким давлением и температурой, обеспечивающих течение ядерных реакций. Они выделяют огромное количество электромагнитной энергии в предельно коротких диапазонах волн.

Область лучевого переноса энергии находится над ядром. Она образована практически неподвижным и невидимым сверхвысокотемпературным газом. Передача через нее энергии, генерируемой в ядре, к внешним сферам Солнца осуществляется лучевым способом, без перемещения газа. Этот процесс надо представлять себе примерно так. Из ядра в область лучевого переноса энергия поступает в предельно коротковолновых диапазонах - гамма излучения, а уходит в более длинноволновом рентгеновском, что связано с понижением температуры газа к периферической зоне.

Конвективная область располагается над предыдущей. Она образована также невидимым раскаленным газом, находящимся в состоянии конвективного перемешивания. Оно обусловлено положением области между двумя средами, резко различающимися по господствующим в них давлению и температуре. Перенос тепла из солнечных недр к поверхности происходит в результате локальных поднятий сильно нагретых масс воздуха, находящихся под высоким давлением, к периферии светила, где температура газа меньше и где начинается световой диапазон излучения Солнца. Толщина конвективной области оценивается приблизительно в 1/10 часть солнечного радиуса.

Фотосфера

Фотосфера - это нижний из трех слоев атмосферы Солнца, расположенный непосредственно на плотной массе невидимого газа конвективной области. Толщина фотосферы всего около 300 - 400 км. Этот слой образован раскаленным ионизированным газом. Температура которого у основания близка к 10 000 К (т. е. абсолютная температура), а у верхней границы, расположенной примерно в 300 км выше, порядка 5000 К. Средняя температура фотосферы принимается в 5700 - 6000 К. При такой температуре раскаленный газ излучает электромагнитную энергию преимущественно в оптическом диапазоне волн. Чем глубже слои фотосферы, тем они горячее. Именно фотосфера, видимая как желтовато - яркий диск, зрительно воспринимается нами как Солнце.

Плотность фотосферы не превышает порядка 10^-4 кг/м³, а число атомов преобладающего в фотосфере водорода - порядка 10¹⁷ в объеме 1 см³.

Во время наибольшего спокойствия земной атмосферы в телескоп можно наблюдать характерную зернистую структуру фотосферы. Чередование маленьких светлых пятнышек - гранул - размером около 1000 км, окруженных темными промежутками, создает впечатление ячеистой структуры - грануляции. Положение, конфигурация и размеры гранул меняются. Наблюдения показали, что каждая гранула в отдельности выражена лишь какое-то короткое время (около 5-10 минут), а затем исчезает, заменяясь новой гранулой. На поверхности Солнца гранулы не остаются неподвижными, а совершают нерегулярные движения со скоростью примерно 2 км/сек. В совокупности светлые зерна (гранулы) занимают до 40% поверхности солнечного диска. Гранулы всегда наблюдаются на всей поверхности Солнца. Другие детали фотосферы (пятна, факелы) появляются лишь время от времени.

Образно грануляцию на поверхности Солнца можно сравнить с кипением густой жидкости типа расплавленного гудрона, когда со светлыми восходящими струями появляются пузырьки воздуха, а более темные и плоские участки характеризуют погружающиеся порции жидкости.

Возникновение грануляции связано с происходящей под фотосферой конвекцией. Отдельные гранулы на несколько сотен градусов горячее окружающего их газа. Спектральные изменения свидетельствуют о движении газа в гранулах, похожих на конвективные: в гранулах газ поднимается, а между ними - опускается.

Эти движения газов порождают в солнечной атмосфере акустические волны, подобные звуковым волнам в воздухе.

Распространяясь в верхние слои солнечной атмосферы, волны, возникшие в конвективной зоне и в фотосфере, передают им часть механической энергии конвективных движений и производят нагревание газов последующих слоев атмосферы Солнца - хромосферы и короны. В результате верхние слои фотосферы с температурой около 4500 К оказываются самыми «холодными» на Солнце. Как вглубь, так и вверх от них температура газов быстро растет.

Исследования механизма передачи энергии в газовом шаре Солнца от центральной области к поверхности и ее излучение в космическое пространство показали, что она переносится лучами. Даже в конвективной зоне, где передача энергии осуществляется движением газов, большая часть энергии переносится излучением.

Таким образом, поверхность Солнца, излучающая энергию в космическое пространство в световом диапазоне спектра электромагнитных волн, - это разряженный слой газов фотосферы и просматривающаяся сквозь нее гранулированная верхняя поверхность слоя непрозрачного газа конвективной области. В целом зернистая структура, или грануляция, признается свойственной фотосфере - нижнему слою солнечной атмосферы.

Расположенный над фотосферой слой, называемый хромосферой, во время полных солнечных затмений в те минуты, когда Луна полностью закрывает фотосферу, виден как розовое кольцо. Окружающий темный диск. На краю хромосферы наблюдаются выступающие как бы язычки пламени - хромосферные спикулы, представляющие собою вытянутые столбики из уплотненного газа. Тогда же можно наблюдать и спектр хромосферы, так называемый спектр вспышки. Он состоит из ярких эмиссионных линий водорода, гелия, ионизованного кальция и других элементов, которые внезапно вспыхивают во время полной фазы затмения. Выделяя излучение Солнца в этих линиях, можно получить в них его изображение.

Солнечные пятна

Еще задолго до изобретения телескопа люди замечали на неярком заходящем Солнце или на Солнце, видимом сквозь легкие облака, темные пятна. Прежде не только не знали, что представляют собой пятна, но и не допускали мысли о том, что пятна находятся на Солнце. Лишь теперь, спустя три с половиной столетия с тех пор, как Галилей доказал, что пятна - это реальные образования на поверхности Солнца, начинает выясняться их физическая природа.

Если рассматривать диск светила через затемненное стекло, то временами в разных местах солнечной поверхности даже невооруженным глазом можно увидеть почти черные образования - пятна. Поперечник этих образований может достигать многих тысяч километров. Они распределяются на фоне видимого диска Солнца неравномерно - то одиночно, то группами. Эти образования непостоянны: они существуют от нескольких часов до нескольких месяцев, а затем исчезают, и вместо них, в других местах, появляются новые пятна.

Центральная часть пятна - ядро (или тень) - окружена волокнистой полутенью. Вблизи края солнечного диска круглое пятно видно как эллиптическое, а совсем близко от края диска - как узкая полоска полутени. Это можно объяснить тем, что пятно представляет собой коническую воронку, глубина которой примерно 300-400 км. Пятна кажутся темными лишь по контрасту с фотосферой. На самом деле температура ядра (самой холодной части пятна) около 4300 К, т. е. выше температуры электрической дуги, на которую, как известно, невозможно смотреть без защитных очков. Линии в спектре пятен заметно расщеплены. Это явление объясняется тем, что вещество пятен подвержено действию сильных магнитных полей.

Пятно в группе, которое располагается первым по направлению вращения Солнца, называется головным, последнее пятно в группе - хвостовым. Головные и хвостовые пятна имеют противоположную полярность, например головные - северный магнитный полюс, а хвостовые - южный, т. е. в целом группа пятен напоминает гигантский магнит. Магнитное поле пятен в тысячи раз превосходит общее магнитное поле Солнца. Поэтому солнечные пятна подобны «магнитным островам» в фотосфере Солнца.

Образующий солнце газ является прекрасным проводником электричества, особенно в центральной области, где условия экстремальны. В целом Солнце обладает единым магнитным полей и, кроме того, локальными полями. Например, вокруг солнечных пятен магнитные поля имеют напряженность в среднем 3000 Э. Например, у Земли магнитное поле слабее: на магнитных полюсах оно имеет напряженность всего 0,6-0,7 Э, а на магнитном экваторе и того меньше - 0.4 Э. Следовательно, оно в7500 раз слабее, чем у солнечных пятен. Температура темных пятен у Солнца на 1000-2000⁰ ниже, чем фотосферы в целом.

В совокупности пятна и их скопления образуют на Солнце активные области. Изменение положения пятен, их количество и подвижность не остаются постоянными. Наиболее известен 11-летний цикл (11,2 года) активности пятен - это осредненный срок, фактически же он колеблется от 7,5 до 16 лет. Например, если в данном 11- летнем цикле все головне пятна групп в северном полушарии Солнца имели северный магнитный полюс, то в следующем цикле северный магнитный полюс будет у хвостовых пятен. Солнечные пятна рассматриваются как углубления, или провалы, в видимой поверхности. Ритм изменения солнечной активности отражается на многих процессах и явлениях земной поверхности и ее атмосферы (солнечные сияния, прохождения радиоволн в верхней атмосфере).

Магнитное поле пятен - одна из наиболее важных характеристик. Именно с магнитным полем связана и причина появления солнечных пятен. Дело в том, что сильное магнитное поле способно замедлить конвекцию плазмы. В местах, где конвекция замедлена, на поверхность поступает меньше энергии, там образуются более холодные и темные участки фотосферы - солнечные пятна.

Если сравнить несколько последовательных фотографий Солнца, то можно заметить, как меняется положение всех пятен на диске. Это происходит из-за вращения Солнца. Солнце вращается не как твердое тело. Пятна, находящиеся вблизи экватора Солнца, опережают пятна, расположенные в средних широтах. Следовательно, скорости вращения разных слоев Солнца различны. Экваториальные области делают один оборот вокруг оси Солнца за 25 земных суток, а области вблизи полюсов Солнца - примерно за 30 суток. Линейная скорость вращения на экваторе Солнца составляет 2 км/с. Наблюдения показывают, что все пятна перемещаются от восточного края к западному. Следовательно, Солнце вращается вокруг своей оси в направлении движения планет вокруг него.

Хромосфера

В моменты полных солнечных затмений хорошо видны внешние области атмосферы Солнца - хромосфера (розового цвета) и серебристо-жемчужная корона. Яркость хромосферы и корон во много раз меньше яркости фотосфер. Из-за рассеяния солнечного света в земной атмосфере эти слабосветящиеся внешние оболочки не удается видеть вне затмения без специальных приспособлений. Хромосфера не имеет резких границ, а представляет собой сочетание множества ярких выступов или языков пламени, находящихся в непрерывном движении. Хромосферу иногда сравнивают с горящей степью. Языки хромосферы называют спикулами. Она имеет в поперечнике от 200 до 2000 км (иногда до 10 000). Их надо представлять себе как врывающиеся из Солнца потоки плазмы (раскаленного ионизированного газа). Хромосфера отличается от фотосфер значительно более неправильной неоднородной структурой. Заметно два типа неоднородностей - яркие и темные. По своим размерам они превышают фотосферные гранулы, достигая 30-50 тыс. км. В целом распределение неоднородностей образует так называемую хромосферную сетку, особенно хорошо заметную в линии ионизованного кальция. Как и грануляция, она является следствием движений газов в подфотосферной конвективной зоне, только происходящих в более крупных масштабах.

Хромосфера простирается до высоты 10-14 тыс. км. Установлено, что переход от фотосфер к хромосфере сопровождается скачкообразным повышением температуры от 5700 К до 8000-10 000 К. К верхней же границе хромосферы, находящейся приблизительно на высоте 14 000 км от поверхности Солнца, температура повышается до 15 000-20 000 К. Плотность вещества на таких высотах составляет всего 10^-12г/см³, т. е. в сотни и даже тысячи раз меньше, чем плотность нижних слоев хромосферы.

Со ссылкой на Роберта (США) А. Б. Северный (1956) образование хромосферных спикул описывает так. Отдельная спикула вытягивается из хромосферы вверх приблизительно в течение двух минут и, достигая максимальной высоты, исчезает. Обычная скорость выдвижения спикулы вверх составляет приблизительно 20 км/сек.

Солнечная корона

Самая внешняя и очень разряженная часть солнечной атмосферы - корона, прослеживающаяся от солнечного лимба до расстояний в десятки солнечных радиусов. Некоторые астрономы называют ее атмосферой Солнца. Она имеет температуру около миллиона градусов. Корону можно видеть только во время полного солнечного затмения либо с помощью коронографа - специального телескопа, в фокусе объектива которого ставится зачерненный диск («искусственная Луна»). Коронографы устанавливают в горах на высоте не ниже 2000 метров над уровнем моря, где солнечное излучение значительно меньше рассеивается земной атмосферой.

Во время полного солнечного затмения вокруг диска Луны, который закрывает от наблюдателя яркую фотосферу, внезапно как бы вспыхивает жемчужное лучистое сияние. Это на несколько десятков секунд становится видимой солнечная корона. Важной особенностью короны является ее лучистая структура. По фотографиям, полученным во время затмений, корону удается проследить на расстоянии до нескольких солнечных радиусов от края Солнца. Отдельные выбросы солнечной плазмы, которые как бы входят в состав сверхкороны Солнца, достигают земной орбиты. После изобретения коронографа солнечную корону стали наблюдать и вне затмения. Общая форма короны меняется с фазами цикла солнечной активности: в годы максимума корона почти сферична, в год минимума она сильно вытянута вдоль экватора. Корона неоднородна: в ней наблюдаются лучи, дуги, отдельные сгущения вещества, полярные «щеточки» (короткие прямые лучи, наблюдаемые у полюсов) и т. д. Детали короны неразрывно связаны с пятнами и факелами, а также с явлениями, происходящими в хромосфере. Все детали короны вращаются с той же угловой скоростью, что и расположенные под ними участки фотосферы.

Корона представляет собою сильно разряженную высокоионизованную плазму с температурой 1-2 млн. градусов. Причина столь большого нагрева солнечной короны связана с волновыми движениями, возникающими в конвективной зоне Солнца.

Цвет короны почти совпадает с цветом излучения всего Солнца. Это связано с тем, что находящиеся в короне свободные электроны, возникающие в результате сильной ионизации газов, рассеивают излучение, приходящее от фотосферы.

Из-за огромной температуры (не менее 10⁶ К) частицы движутся так быстро, что при столкновениях от атомов отлетают электроны, которые начинают двигаться как свободные частиц. В результате этого легкие элементы полностью теряют все свои электроны, так что в короне практически нет атомов водорода и гелия, а есть только протоны и альфа-частицы. Тяжелые элементы теряют до 10-15 внешних электронов.

По этой причине в спектре солнечной короны наблюдаются необычные спектральные линии, которые долгое время, подобно линиям гелия, не удавалось отождествить с известными химическими элементами. Так, например, одна из наиболее ярких корональных линий (зеленая) принадлежит атому железа, лишенному 13 электронов.

Горячая плазма сильно излучает и поглощает радиоволны. Поэтому наблюдаемое солнечное радиоизлучение на метровых и дециметровых волнах возникает в солнечной короне.

Иногда в солнечной короне наблюдаются области пониженного свечения. Их называют корональными дырами. Особенно хорошо эти образования заметны по снимкам в рентгеновских лучах.

Солнечная активность

Солнечная активность - совокупность явлений, периодически возникающих в солнечной атмосфере (пятна, факелы, протуберанцы, вспышки и др.). Проявления солнечной активности тесно связано с магнитными свойствами солнечной плазмы. Возникновение активной области начинается с постепенного увеличения магнитного потока в некоторой области фотосферы. В соответствующих местах хромосферы вскоре после этого наблюдается увеличение яркости в линиях водорода и кальция. Такие области называются флоккулами. Примерно в тех же участках на Солнце в фотосфере (т. е. несколько глубже) при этом также наблюдается увеличение яркости в белом (видимом) свете - факелы. Увеличение энергии, выделяющейся в области факела и флоккула, является следствием увеличившейся до нескольких десятков эрстед напряженности магнитного поля.

Фотосферные факелы - детали более светлые (а значит, и более горячие), чем фотосфера. Если группа пятен находится вблизи края солнечного диска, то вокруг нее обычно видно множество факелов - факельное поле. Факелы возникают незадолго до появления солнечных пятен и существуют в среднем в три раза дольше пятен. В местах, где наблюдаются факелы, на поверхность Солнца выносится более горячее вещество, чем в других участках фотосферы. Это связано с местным усилением конвекции в подфотосферных слоях. Факелы могут достигать в высоту тысячи и даже десятки тысяч километров.

Хромосферные факелы - наиболее яркие участки хромосферы, расположенные над фотосферными факелами и пятнами.

В хромосфере над факелами располагаются светлые облака - флоккулы. Они имеют по вертикали размеры в тысячи и сотни тысяч километров. Что же касается распространенности их в горизонтальном направлении, то в совокупности они занимают от 10 до 30% площади солнечного диска. Различают флоккулы, образованные преимущественно либо ионизированным водородом, либо кальцием.

Самое мощное проявление солнечной активности - это вспышки. Они происходят в сравнительно небольших областях хромосферы и короны, расположенных над группами солнечных пятен. В ходе развития вспышки сначала увеличивается яркость небольшого участка хромосферы, но затем становится яркой область, охватывающая десятки миллиардов квадратных километров. По своей сути вспышка - это взрыв, вызванный внезапным сжатием солнечной плазмы. Сжатие происходит под давлением магнитного поля и приводит к образованию длинного плазменного жгута или ленты. Длина такого образования составляет десятки и даже сотни тысяч километров. Общее количество энергии, выделяющееся в результате взрыва, может составлять в зависимости от его силы от 10²³ до 10²⁶ Дж. Слабые вспышки исчезают через 5-10 минут, а самые мощные продолжаются несколько часов. Небольшие вспышки происходят на Солнце по нескольку раз в сутки, мощные наблюдаются значительно реже.

Мощность энерговыделения 1 г вещества в области вспышки в среднем в 10¹² раз больше, чем мощность энерговыделения 1 г вещества всего Солнца. Это говорит о том, что источник энергии вспышек отличается от источника энергии всего Солнца. Хотя детально физические процессы, приводящие к возникновению вспышек, еще не изучены, ясно, что они имеют электромагнитную природу. Основной жгут вспышки обычно располагается вдоль нейтральной линии магнитного поля - направления, разделяющего области различной полярности. При некоторых условиях возникает неустойчивость, магнитные поля вблизи нейтральной линии сильно сближаются, сливаются и нейтрализуются (аннигилируют). При этом энергия магнитного поля переходит в другие формы: в излучение, тепло и кинетическую энергию движущихся газов. В электромагнитное излучение переходит примерно половина всей энергии. Это излучение может наблюдаться в видимых, ультрафиолетовых, рентгеновских лучах и даже гамма-лучах. Особенно много энергии излучается в красной спектральной линии водорода, в которой вспышки чаще всего и наблюдают при помощи узкополосных светофильтров. Энергия, излучаемая вспышкой в коротковолновой области спектра, состоит из ультрафиолетовых и рентгеновских лучей. Эти лучи испускаются очень сильно ионизованными атомами. Например, во время некоторых вспышек наблюдалось рентгеновское излучение, характерное для атомов железа, лишенного 25 электронов, которое, по сути дела, представляет собой атомное ядро, обладающее подобно водороду, только одним электроном!

Другая половина энергии вспышки идет на ускорение, иногда до релятивистских скоростей, элементарных частиц, главным образом электронов и протонов. Поток таких частиц добавляется во время вспышек к общему потоку космических лучей, наблюдаемый вблизи Земли. Сталкиваясь с другими атомами, энергичные ядра вызывают их необычайно сильную ионизацию, а в некоторых случаях проникают даже через электронные оболочки атомов и приводят к ядерным превращениям, сопровождающимся испусканием гамма-квантов. Как и всякий сильный взрыв, вспышка порождает ударную волну, распространяющуюся как вверх в корону, так и горизонтально вдоль поверхностных слоев солнечной атмосферы. Излучение солнечных вспышек оказывает особо сильное воздействие на верхние слои земной атмосферы и ионосферу и приводит к возникновению целого комплекса геофизических явлений.

Наиболее грандиозными образованиями в солнечной атмосфере являются протуберанцы - сравнительно плотные облака газов, возникающие в солнечной короне или выбрасываемые в нее из хромосферы. Типичный протуберанец имеет вид гигантской светящейся арки, опирающейся на хромосферу и образованной струями и потоками более плотного и холодного, чем окружающая корона, вещества. Иногда это вещество удерживается прогнувшимися под его тяжестью силовыми линиями магнитного поля, а иногда медленно стекает вдоль магнитных силовых линий.

Области на Солнце, в которых наблюдаются интенсивные проявления солнечной активности, называются центрами солнечной активности.

С помощью кинематографического метода удалось с большой детальностью исследовать их движения. Установлены некоторые типичные метаморфозы этих образований. Раньше считалось, что протуберанцы - это выбросы Солнца, т. е. они имеют движение снизу вверх. Теперь обнаружены и многие другие формы их движения. Например, есть протуберанцы, зарождающиеся в верхней атмосфере Солнца, в короне, и движущиеся сверху вниз - к солнечной поверхности, в область солнечных пятен. Нередки движения от одного протуберанца к другому, т. е. параллельно поверхности солнечного диска. В движении газов наблюдается образование струй и узлов, и когда они опускаются, то как бы притягиваются определенным центром или несколькими центрами.

Исследования протуберанцев кинематографическим методом, проведенные А. Б. Северным и В. Л. Хохловой, позволили выявить некоторую упорядоченность их движений. Различные виды протуберанцев можно свести к трем основным типам движения.

Пожалуй, наиболее характерными являются так называемые эруптивные протуберанцы. Такие газовые образования в течение нескольких дней могут иметь вид спокойного облака, или длинной струи дыма, или, наконец, арки. На этой стадии внутри протуберанца никаких заметных движений нет. Но затем они переходят в фазу бурного развития, когда возникают вихревые вращения всего протуберанца или поднимается одно из колен арки. Эти перестройки осуществляются быстро - в течение нескольких минут. Протуберанец начинает растягиваться, подниматься. Происходит как бы замедленный взрыв. Яркость его увеличивается, а потом сразу же ослабевает. При таких вспышках или взрывах движение протуберанца имеет в общем радиальное от Солнца направление и может достигать высоты, равной диаметру Солнца, а скорости движений могут измеряться сотнями километров в секунду. Достигая кульминационной высоты, такой протуберанец начинает распадаться - от него отделяются узлы и струи, которые почти отвесно падают вниз на поверхность Солнца. Весь процесс развития взрывного протуберанца продолжается не больше получаса, после чего все признаки его существования исчезают. Часть его вещества поднимается вверх, темнеет и перестает быть видимой. Пока не удалось установить, выбрасывается ли вещество в межпланетное пространство или остается в верхней атмосфере Солнца. Дело в том, что максимальная установленная скорость роста эруптивного протуберанца составляет 700 км/сек, а параболическая скорость в верхней атмосфере Солнца равняется только 450 км/сек (на высоте радиуса Солнца от его поверхности). Следовательно, вещество эруптивного протуберанца может выбрасываться в межпланетное пространство.

Эруптивные протуберанцы - явления относительно редкие, на их долю приходится всего на 10-15% всех случаев образования протуберанцев.

Ко второму типу относятся протуберанцы, приуроченные к областям солнечных пятен. Для таких протуберанцев свойственно движение газовых струй и узлов по определенным искривленным траекториям, напоминающие силовые линии некоторых магнитных полей. Другими словами, наблюдается в какой-то степени упорядоченность движений этих газовых скоплений, приуроченность их к своеобразным каналам или путям, масса протуберанца не растекается. Иногда узлы и струи движутся по круговым путям: от поверхности Солнца к верхней атмосфере - одна ветвь и в обратном направлении - другая. Чаще происходит движение от коронарных облаков к поверхности Солнца. Имеются случаи появления в солнечной короне светящейся точки, быстро развивающейся в сложный протуберанец, который распространяется вниз, к поверхности Солнца, и в этом направлении сильно увеличивается в размерах и приобретает форму подобия облака. Скорости движения газовых сгустков в этих протуберанцах меньше, чем у эруптивных, они составляют всего десятки - первые сотни километров в секунду.

К третьему типу относятся многочисленные протуберанцы без упорядоченных движений, т. е. хаотическими движениями. Они претерпевают непрерывные изменения отдельных узлов, газовых струй и конфигураций в их совокупности. В протуберанцах исчезают и появляются новые узлы и струи, испытывающие то сжимание, то растяжение. В общем, для таких протуберанцев свойственны большие размеры; высота их может достигать 150 тыс. км. На солнечном диске протуберанцы видны как светлые струи, нередко они напоминают воздушные вихри земных циклонов. До сих пор недостаточно раскрыта физическая сущность явлений протуберанцев. Очевидно, что неупорядоченные движения газовых масс протуберанцев объясняются неравномерностью теплового поля солнечной атмосферы и, следовательно, различной степенью ионизации ее газов, непостоянство магнитного поля, давления света и другими факторами. Можно лишь с уверенностью утверждать , что физические процессы на поверхности Солнца и в его атмосфере имеют совершенно особый, несравнимый с процессами на Земле характер, что исключает возможность сопоставления их между собой. Но в целом, как Земля, так и планеты реагируют на них, что и представляет для нас интерес.

Общая активность Солнца, характеризуемая количеством и силой проявления центров солнечной активности, периодически изменяется. Существует множество различных способов количественно оценивать уровень солнечной активности. Обычно пользуются наиболее простым и раньше всех введенным индексом солнечной активности - числами Вольфа W. Числа Вольфа пропорциональны сумме полного числа пятен, наблюдаемых в данный момент на Солнце (f), и удесятеренного числа групп, которые они образуют (g).

Таким образом,

W=k(f+10g),

где k - коэффициент, учитывающий качество инструмента и производимых с его помощью наблюдений.

Солнечная энергия. Солнечная радиация

Благодаря сочетанию сверхвысоких давлений и температур в центральной области Солнца происходят ядерные реакции, при которых выделяется огромное количество энергии. Среднее количество вырабатываемой при ядерных реакциях энергии в расчете на грамм вещества в секунду составляет 1,92 эрга. Часть этой энергии идет на поддержание в центральной области сверхвысоких температур, необходимых для ядерных реакций, а остальная излучается Солнцем в межпланетное пространство. Мощность общего излучения Солнца 3,83?10²⁶ Вт, из которых на Землю попадает около 2?10¹⁷ Вт, т. е. приблизительно одна двухмиллиардная часть. С 1 см² поверхности Солнца в 1 сек. Излучается энергии 6000 Вт, или 6?10¹⁰ эрг/см²сек. Излучаемый Солнцем поток энергии уносит из него ежегодно 1,4?10¹³ т вещества. И хотя эта величина, по нашим земным понятиям, огромна, по сравнению с массой светила она ничтожна: потребуется невероятно огромное время, чтобы Солнце израсходовало на излучение энергии все свое вещество и таким образом перестало бы существовать. Но до такого состояния Солнца далеко - приблизительно 10 млрд. лет.

А. Б. Северный дает такое интересное сопоставление огромной мощности излучаемой Солнцем энергии с эффектом ее использования: «Ежесекундно теряемой Солнцем лучистой энергии достаточно, чтобы в течение часа растопить и довести до кипения 2,5 биллиона км³ льда, т. е. растопить слой льда вокруг Земли толщиной более 1000 км».

Исходящее из центральной области Солнца излучение по мере движения к внешним сферам перестраивается из коротковолнового в длинноволновое. Если в центре обычны Х-лучи, гамма- излучение, а затем рентгеновское, то в средних слоях солнечного шара преобладают ультрафиолетовые лучи, а в излучающей поверхности Солнца (в фотосфере) они оказываются трансформированными уже в волны светового диапазона излучения. В соответствии с диапазоном длин излучаемых поверхностью Солнца (фотосферой) электромагнитных волн ее температура принимается равной 5785 К или 5600 К.

Солнце генерирует и испускает в космическое пространство два основных потока энергии - электромагнитное излучение, или солнечную радиацию, и корпускулярное излучение, или солнечный ветер. Энергетические потоки обладают высокой мощностью в пределах близко расположенных от светила космических тел. Наоборот, до далеких от Солнца тел потоки энергии доходят сильно ослабленными, а потому их значение в энергетическом балансе планет становится меньшим. Тем не менее тепловое поле поверхности всех планет Солнечной системы создается почти исключительно солнечной радиацией, так как приход эндогенной энергии планет к поверхности крайне незначителен и многими природоведами применительно к Земле игнорируется. Вот почему для планет внутренней группы - Меркурия, Венеры, Земли и Марса - значение солнечной энергии особенно велико. Для сравнения природных условий на этих планетах необходимо ознакомится с мощностью потоков солнечной энергии и особенностью ее поглощения.

На планеты солнечная энергия поступает в виде потоков электромагнитного излучения (солнечной радиации) и корпускулярного излучения (солнечного ветра).

Значение для природной обстановки на планетах корпускулярного излучения достаточно не выяснено, что побуждает нас не входить в его рассмотрение, а роль солнечной энергии свести к воздействию солнечной радиации на природу планет.

В ходе наблюдений ученые выяснили, что Солнце - мощный источник радиоизлучения. В межпланетное пространство проникают радиоволны, которые излучает хромосфера (сантиметровые волны) и корона (дециметровые и метровые волны).

Радиоизлучение Солнца имеет две составляющие - постоянную и переменную (всплески, «шумовые бури»). Во время сильных солнечных вспышек радиоизлучение Солнца возрастает в тысячи и даже миллионы раз по сравнению с радиоизлучением спокойного Солнца. Это радиоизлучение имеет нетепловую природу.

Согласно современной квантовой теории, излучение электромагнитной энергии Солнца, в том числе и света, происходит непрерывно, а порциями - квантами. Каждый квант несет определенную энергию. Она измеряется обычно электрон-вольтами (эВ). Электрон-вольт - это количество энергии, которая приобретает свободный электрон, ускоренный электрическим полем с разностью потенциалов в 1 вольт (В). Электрон-вольт равен 1,6?10^-12 эрг. Солнечные кванты могут изменить самую различную энергию - от миллионов электрон-вольт до миллионных долей электрон-вольта. Иначе говоря, кванты электромагнитного излучения могут различаться по энергии в миллиарды раз!

Электромагнитное излучение имеет волновой характер. Каждому кванту с определенной энергией свойственно волна излучения определенной длины. Электромагнитное излучение можно характеризовать не только в квантах разной мощности, но в соответствующих им длинах волн. Они измеряются в разных единицах длины: короткие волны квантов - ангстремами (A), что составляет 1/100 млн. часть сантиметра (10^-8). Например, кванту с энергией в 1эВ соответствует длина волны ?=12400 A. Более длинные волны измеряют последовательно - миллиметрами, сантиметрами, дециметрами, метрами и километрами. Имеются и промежуточные единицы - микрометры (мкм)=10⁴ A.

Совокупность всех видов квантов, расположенных последовательно с возрастанием их энергии, называется спектром электромагнитного излучения Солнца. Соответственно спектр солнечной радиации можно выразить через волны различной длины. Непрерывный спектр электромагнитного излучения, как показано в таблице 2, условно разделен по длине волн на диапазоны: гамма-излучение, рентгеновское, ультрафиолетовое; все это ультракоротковолновая радиация, характеризующаяся высокими значениями энергии и невосприятием ее человеческим глазом. Далее следует оптический, или световой, диапазон. За ним опять идут два невидимых диапазона электромагнитных волн - инфракрасный и радиоволн.

Дифференциация потока солнечной радиации по длине волн и энергии фотонов излучения (по М. М. Ермолаеву, 1969)

Таблица

Распределение энергии по спектру неравномерное. На всю коротковолновую часть спектра - от длин волн менее одного ангстрема до приблизительно 4000 A, т. е. на гамма-лучи, рентгеновские и ультрафиолетовые лучи,- приходится только 7% энергии солнечной радиации. На оптический диапазон спектра - электромагнитные волны в интервале длин 4000-7600 A - приходится 48% энергии. Именно к оптическому диапазону приурочен максимум излучения, соответствующей сине-зеленому интервалу световой гаммы излучения. Остальные 45% солнечной радиации содержатся в основном в инфракрасном излучении - в волнах длиннее 7600 A; из этого количества энергии лишь незначительная часть приходится на радиоизлучение.

Волны электромагнитного излучения в зависимости от своей длины и соответственно энергии обладают многими индивидуальными свойствами, что имеет важное значение для формирования природных условий на планетах. Далеко не все волн солнечной радиации воспринимаются нашим глазом, большая часть их остаётся невидимой. Другой особенностью волн является их проницаемость в газовую и водную среды.