© Владимир Каланов
Знания-сила

Ниже приводятся некоторые числовые данные, касающиеся Солнца:

Среднее расстояние от Земли – 149 597 870 км. Размеры Солнца очень велики́. Так, радиус Солнца в 109 раз больше радиуса Земли, что составляет 696000 км. Масса Солнца – в 330000 раз больше массы Земли – это около 1,989•10³⁰ кг (Масса Земли – 5,976•10²⁴ кг). Средняя плотность Солнца – 1400 кг/м³, это около 0,256 от средней плотности Земли (в 1,4 раза больше плотности воды, для сравнения: плотность Красного гиганта считается равной 5•10^-8, плотность Белого карлика 10⁶, плотность нейтронной звезды, равная плотности атомного ядра́, составляет 10¹⁴). Ускорение силы тяжести на уровне фотосферы – 27,9 g (g= 9,8 м/с2). Период вращения на экваторе – 25,4 земных суток. Температура фотосферы – 5800 °C. Химический состав, определённый из анализа солнечного спектра – водород (71 %), гелий (26,5 %) и многочисленные другие элементы в ионизированном состоянии. На Солнце не обнаружено никаких химических элементов, помимо тех, которые имеются на Земле (Кстати, гелий впервые был обнаружен на Солнце, а затем уже на Земле). Это указывает на то, что небесные тела состоят из тех же веществ, что и Земля. Мощность излучения (светимость) – 3,74•10²³кВт. Средний цикл солнечной активности – 11 лет (полный - 22 года). Возраст – около 5-ти млрд. лет. Полное количество энергии, излучаемой Солнцем, составляет L = 3,86•10³³ эрг/с = 3,86•10²⁶ Вт. Это соответствует 6,5 кВт с каждого квадратного сантиметра его поверхности!

• Примерно лишь одну двухмиллиардную часть этой энергии получает Земля. (Земля перехватывает своей поверхностью 1/2 200 000 000 часть энергии солнечного излучения. В среднем 36 % падающего на Землю света отражается обратно в космос. Почти все движения на Земле и почти вся жизнь существуют благодаря солнечной энергии. Исключением являются движения, связанные с внутренним теплом планеты. Но его приток к поверхности в 4000 раз слабее солнечного. Поэтому лишившись солнечной энергии, атмосфера отверде́ла бы, превратившись в ледник толщиною около 7 метров). Ядерного "топлива" хватит, чтобы обеспечить нынешнюю мощность излучения Солнца ещё на срок, не меньший 5 млрд. лет. Но и после исчерпа́ния водородного "топлива" в центральной области светила выделение энергии не прекратится, только оно будет происходить в слоях более близких к поверхности. Мощность излучения возрастёт до значений, при которых жизнь на Земле станет невозможной (см. теорию эволюции звёзд и разделы "Будущее Солнца" и "Конец света"). Это приведёт к радикальным переменам, в результате которых произойдёт полное разрушение Земли (и, возможно, образование планетарной туманности).

Внутреннее строение Солнца

Ядро и зона переноса лучистой энергии

Внутреннее строение Солнца

Наше Солнце - это огромный светящийся газовый шар, внутри которого протекают сложные процессы и в результате непрерывно выделяется энергия. Внутренний объём Солнца можно разделить на несколько областей; вещество в них отличается по своим свойствам, и энергия распространяется посредством разных физических механизмов. Познакомимся с ними, начиная с самого центра. В центральной части Солнца находится источник его энергии, или, говоря образным языком, та "печь", которая нагревает его и не даёт ему остыть. Эта область называется ядром. Под тяжестью внешних слоёв вещество внутри Солнца сжато, причём чем глубже, тем сильнее. Плотность его увеличивается к центру вместе с ростом давления и температуры. В ядре, где температура достигает 15 млн. Кельвинов, происходит выделение энергии. Эта энергия выделяется в результате слияния атомов лёгких химических элементов в атомы более тяжёлых. Реакции, протекающие в недрах Солнца, мы рассмотрим позже более подробно. Ядро имеет радиус не более четверти общего радиуса Солнца. Однако в его объёме сосредоточена половина солнечной массы и выделяется практически вся энергия, которая поддерживает свечение Солнца. Но энергия горячего ядра должна как-то выходить нару́жу, к поверхности Солнца. Существуют различные способы передачи энергии в зависимости от физических условий среды́, а именно: лучистый перенос, конвекция и теплопроводность. Необходимо отметить, что теплопроводность не играет большой роли в энергетических процессах на Солнце и звёздах, тогда как лучистый и конвективный переносы очень важны и имеют первостепенное значение. Сразу вокруг ядра начинается зона лучистой передачи энергии, где она распространяется через поглощение и излучение веществом порций света - квантов. Плотность, температура и давление уменьшаются по мере удаления от ядра, и в этом же направлении идёт поток энергии. В целом процесс этот крайне "медленный". Чтобы квантам добраться от центра Солнца до фотосферы, необходимы миллионы лет: ведь, переизлуча́ясь, кванты всё время меняют направление, почти столь же часто хаотически двигаясь назад, как и вперёд. Но когда они в конце концов выберутся нару́жу, это будут уже совсем другие кванты. Что же с ними произошло? В центре Солнца рождаются гамма-кванты. Их энергия в миллионы раз больше, чем энергия квантов видимого света, а длина волны́ очень мала. По дороге кванты претерпевают удивительные превращения. Отдельный квант сначала поглощается каким-нибудь атомом, но тут же снова переизлуча́ется; чаще всего при этом возникает не один прежний квант, а два или даже несколько. По закону сохранения энергии их общая энергия сохраняется, а потому энергия каждого из них уменьшается. Так возникают кванты всё меньших и меньших энергий. Мощные гамма-кванты как бы дробятся на менее энергичные кванты - сначала рентгеновских, потом ультрафиолетовых и наконец видимых и инфракрасных лучей. В итоге наибольшее количество энергии Солнце излучает в видимом свете. Процессы адсорбции и повторного излучения квантов настолько интенсивны, что выделяемой в виде гамма-излучения энергии, для того чтобы вырваться на поверхность, требуются миллионы лет, то есть доходящий до нас сегодня свет Солнца родился от жа́ра, возникшего в его недрах миллионы лет назад! Это означает, что кванту требуется очень много времени, чтобы просочиться через плотное солнечное вещество наружу. Так что, если бы "печь" внутри Солнца вдруг погасла, то мы узнали бы об этом только миллионы лет спустя.

Конвективная зона

В ходе процессов столкновения гамма-фотоны теряют энергию. В некоторой точке их энергия, поначалу очень высокая, становится равна термической энергии солнечной материи. С этого момента доминирующим становится процесс конвекции. В отличие от зоны радиационного переноса, где энергия переносится гамма-лучами, в конвективной зоне излучение и материя имеют одинаковую температуру, и большую часть энергии здесь переносит материя.

На своём пути через внутренние солнечные слои поток энергии встречает такую область, где непрозрачность газа сильно возрастает. Это конвективная зона Солнца. Здесь энергия передаётся уже не излучением, а конвекцией. Что такое конвекция? Это ни что́ иное, как перемешивание, в данном случае, аналог перемешивания жидкости при кипении. Так же, как жидкость, может вести́ себя и газ. Вот классический пример наблюдения конвекции газов: в жаркий день, когда земля нагрета лучами Солнца, на фоне удалённых предметов хорошо заметны поднимающиеся струйки горячего воздуха. Их легко наблюдать и над пламенем газовой горелки, и над раскалённой конфоркой плиты. То же самое происходит и на Солнце в области конвекции. Огромные потоки горячего газа поднимаются вверх, где отдают своё тепло окружающей среде, а охлаждённый солнечный газ опускается вниз. Похоже, что солнечное вещество кипит и перемешивается, как вязкая крупи́нчатая масса на огне. Конвективная зона начинается примерно на расстоянии 0,7 радиуса от центра и простирается практически до самой видимой поверхности Солнца (фотосферы), где перенос основного потока энергии вновь становится лучистым. Верхняя граница конвективной зоны выглядит в виде мелких гранул, видоизменя́ющихся на протяжении нескольких минут, так называемых рисовых зёрен, видимых на солнечной поверхности даже через телескоп с достаточно скромными возможностями. Однако по инерции сюда всё же проникают горячие потоки из более глубоких, конвективных слоёв. Хорошо известная наблюдателям картина грануляции на поверхности Солнца является видимым проявлением конвекции.

Мониторинг Солнца в реальном времени космической обсерваторией SOHO.

Солнечная активность непостоянна. Существовал период очень низкой активности Солнечных пятен во второй половине семнадцатого века, который совпал по времени с аномально холодным периодом в северной Европе, иногда называемым малым ледниковым периодом. Со времени формирования Солнечной системы излучение Солнца увеличилось примерно на 40%. Возраст Солнца - приблизительно 4,5 миллиарда лет. Процессы, происходящие в нём начиная с рождения, исчерпа́ли приблизительно половину водорода, содержавшегося в ядре. Оно продолжит излучать "мирно" ещё около 5-7-ми миллиардов лет. Но в конечном счете водородное топливо будет исчерпано.

На нашем сайте вы можете посмотреть реальные снимки Солнца на разных длинах волн за текущую дату, предоставляемые космической обсерваторией SOHO.