Реферат: Несколько слов о Солнце

Там вихри пламенны крутятся...

Михаил Ломоносов 

Балерины в цветном убранстве

Развевают вуалей газ,

Это танец протуберанцев -

C'est la dance des protuberances!

Семён Кирсанов 

Солнце - это звезда, и его подробное описание является задачей звёздной, а не планетной астрономии. Здесь же это небесное тело рассматривается в связи с Землёй и другими планетами Солнечной системы. Материал излагался в ряде недавних статей [Лейбахер и др., 1985; Тверской, 1986; Кейлер, 1992; Соукер, 1992; Миронов, 1998 и др.].

В Галактике Солнце расположено в 68 световых годах от её плоскости и в 25000 световых годах от её центра, то есть почти в плоскости Галактики и на полпути до её середины [Где наше место в Галактике? 1996]. Это очень важный показатель, так как именно здесь проходит так называемый радиус коротации - расстояние от центра, где угловые скорости звёзд и волновых спиральных ветвей Галактики равны. Ещё можно сказать, что вся эта область находится между двумя спиральными ветвями, то есть в спокойной области вдали от мест современного звездообразования. Кроме того, звёзды здесь образуют антициклон - вихревую структуру со спокойным центром, где и располагается в последние десятки миллионов лет Наша Солнечная система [Фридман, Хоружий, 1998]. Солнце движется вокруг центра Галактики со скоростью порядка 200 км/с (цифра указана по памяти, источник сведений забыт автором). Для окрестностей Солнца указывается также скорость вращения газового диска вокруг центра галактики в 200-300 км/с [Фридман, Хоружий, 1998]. В настоящее время Солнце вместе с Солнечной системой направляется к созвездию Геркулеса, что открыто ещё Вильямом Гершелем [Хоскин, 1986].

От Солнца до ближайшей звезды (Проксима Центавра) - 4,2 световых года, или 9 460 000 000 000 км [Купер, Хенбест, 1998].

Масса Солнца в 330 000 раз больше массы Земли, а плотность - меньше, чем у Земли (1,41 г/см3).

Экваториальный диаметр - 1 392 000 км.

По звёздной классификации, Солнце - это типичный жёлтый карлик (спектральный класс G, подкласс G2), каких во Вселенной очень много [Миронов, 1998].

Солнце состоит из:

ядра, в котором при температуре 14 миллионов градусов в ходе термоядерной реакции водород превращается в гелий (30% радиуса Солнца?);

зоны лучистого переноса (зоны переизлучения, или зоны лучистого равновесия), где энергия термоядерных реакций, переносясь от атома к атому, движется к периферии Солнца (40% радиуса Солнца?);

конвективной зоны, где большие массы вещества в виде горячих струй поднимаются к поверхности Солнца и в виде охладившихся струй опускаются к зоне лучистого переноса (30% радиуса Солнца, 1% массы Солнца); конвективные ячейки называются сверхгранулами (в отличие от фотосферных гранул).

Солнце окружено атмосферой, в которой различаются:

фотосфера: видимая поверхность Солнца толщиной в несколько сотен километров, нагретая в среднем до 5780 градусов Цельсия; здесь видны гранулы, факелы, пятна;

хромосфера: ярко светящийся ободок вокруг Солнца, который виден во время полного солнечного затмения; здесь наблюдаются различные хромосферные явления - протуберанцы, спикулы, макроспикулы; спикулы - это вертикальные струи ионизированного газа, поднимающиеся под действием магнитного поля до 10 000 км и через несколько минут опадающие [Филиппов, 1999]; макроспикулы сходны с ними, но грандиозней, поднимаются до 40 000 км [Вселенная, 1999]; протуберанцы примерно равны по размерам спикулам, но петлеобразны (это связано с наличием двух полюсов у магнитного поля), держатся месяцами, а иногда внезапно выходят за пределы хромосферы и уносятся от Солнца, превращаясь в корональные выбросы и вызывая на Земле магнитные бури и полярные сияния [Филиппов, 1999]; протуберанец, видимый на фоне фотосферы - волокно; температура хромосферы - около 10 000 градусов Цельсия, толщина - 10 000 км [Вселенная, 1999];

солнечная корона: видна во время затмений как правильной или неправильной формы светящаяся область с радиусом в 2 - 3 Солнца; облик зависит от степени активности Солнца; корона не имеет чёткой границы и, по некоторым данным, простирается до Плутона и дальше; температура достигает 2 млн. градусов [Вселенная, 1999], но это не ощущается из-за её разреженности.

Одновременно на всей солнечной поверхности происходит около 30 тысяч взрывных событий продолжительностью в несколько минут. Скорость выбрасываемого вещества - до 150 км/с [Магнитогидродинамические процессы на Солнце, 1997].

Поток от Солнца заряженных частиц (протонов, электронов) называется солнечным ветром. Частицы улетают от Солнца со скоростью 3 000 000 км/час и создают магнитные поля и электрические токи, то есть гелиосферу, в которую погружена вся Солнечная система. Частицы обладают высокой энергией и опасны для человека в Космосе (вне земной атмосферы), но магнитное поле отбрасывает из окрестностей Солнца ещё более опасные галактические лучи (лучи, возникшие при взрывах сверхновых звёзд), предохраняя от них Землю.

На поверхности Солнца видны отдельные пятна и группы пятен. Они холоднее остальной поверхности (чуть более 4000 г радусов Цельсия), но окружены более горячими "факелами", и суммарное излучение "пятнистого" Солнца чуть выше, чем в периоды без пятен. Пятна часто окружены "полутенью", и в одной такой "полутени" наблюдается сразу несколько пятен. По пятнам видно, что на экваторе Солнце вращается быстрее (за 25 земных суток), чем вблизи полюсов (за 35 земных суток). Пятна вызваны местными магнитными полями, которые временно не пропускают из глубин Солнца более горячее вещество. Поэтому часто бывают парные пятна (два полюса магнитного поля). Пятна существуют от нескольких дней до нескольких месяцев и по размерам могут превосходить Землю и даже Юпитер. В пятнах недавно обнаружено присутствие водяных паров [От Солнца "валит пар", 1998].

Высказывалось мнение, что на биоритмы человека и животных влияет не месячный лунный ритм, а обращение Солнца вокруг оси в среднем за 27 дней [Бреус, 1998].

Жизнь Солнца подчиняется чёткому 22-годичному ритму. Каждые 11 лет магнитные полюса Солнца меняются местами, что сопряжено с изменением активности Солнца, периодическим появлением и исчезновением пятен на нём, с хромосферными и подобными вспышками. Последний минимум солнечной активности был в 1997 г., максимум - в 1990 г. Тогда почти всё Солнце было пятнистым. Первые пятна цикла появляются ближе к полюсам (в "умеренных" областях), а потом концентрируются у экватора. В периоды покоя Солнце уменьшается на 250 км (на 0,036%) [Колебания размеров Солнца, 1996]. Все солнечные циклы асимметричны: восходящая ветвь в среднем 4,3 года, нисходящая - 6,6 лет (Будет ли очередной солнечный максимум рекордным? 1989). 11-летний цикл найден также у тау Кита, имеющей светимость 40% от солнечной [На тау Кита - как на Солнце, 1995]. По-видимому, цикличность связана с неравномерностью вращения звёзд вокруг своей оси [Купер, Хенбест, 1998]. Также обращает на себя внимание сходство солнечного цикла (11 лет) и периода обращения Юпитера (чуть менее 12 лет) [замечание автора]. Условное тело, притягивающее Солнце как совокупность всех планет, должно вращаться от Солнца на таком расстоянии, где период обращения примерно равен 11 годам [вычисление автора]. Трудно отделаться от впечатления, что 11-летний солнечный цикл обусловлен совокупным влиянием планет Солнечной системы. Недавно закончился XXII солнечный цикл, так как их отсчёт ведётся с 1750-го года (нулевой цикл), когда на Солнце наблюдались необычайно мощные вспышки [Кацова, Лившиц, 1998].

Кроме того, существует большая периодичность Солнца. Диаметр Солнца меняется с цикличностью в 250 лет на 0,2%. Когда Солнце шире, пятен на нём чуть меньше [Изменение диаметра Солнца, 1988].

Солнце, таким образом, - одна из переменных звёзд, хотя колебания светимости не превышают 0,1 - 0,2%. Но это только в видимом диапазоне. А, например, в рентгеновском диапазоне интенсивность излучения меняется в 2 раза [Миронов, 1998]. Есть также литературное указание [Кацова, Лившиц, 1998], что полное рентгеновское излучение Солнца вне вспышек изменяется более чем в 300 раз при переходе от дней с минимальной к дням с максимальной активностью, что в количественном отношении противоречит предыдущей информации, но в качественном отношении подтверждает её. Видимо, авторы говорят несколько о разном (суммарное излучение за периоды различной длительности и т.п.).

Влияние 11-летнего солнечного цикла на земные объекты не доказано и, по крайней мере, сильно преувеличено. В изменении погоды вроде бы наблюдается 12-летний цикл, но он, вероятно, является удвоением достоверно открытого 5 - 7-летнего цикла, который обусловлен Эль-Ниньо, а не Солнцем [Бялко, Гамбургцев, 2000].

Солнце всё целиком колеблется, но очень слабо, рождая сложную структуру колебаний - акустические и внутренние гравитационные волны, то есть солнцетрясения [Лейбахер и др., 1985].

Иногда на Солнце происходят взрывы (вспышки), порождающие мощные потоки плазмы. При подобных плазменных взрывах непропорционально большая энергия передаётся ничтожно малой доле частиц, которые ускоряются при многократном пересечении фронта ударной волны. Так рождаются космические лучи солнечного происхождения. В земной атмосфере они генерируют "широкие атмосферные ливни" (так называют совокупность частиц атмосферы, получившую "по кусочкам" энергию от частиц высоких энергий). Вспышки на Солнце видны в течение 1 минуты. Лучи начинают приходить через 10 - 15 минут прямо от Солнца, но максимум наступает через несколько часов из-за диффузного запаздывания (в это время лучи приходят отовсюду). В такие периоды из окрестностей Земли исчезают космические лучи галактического происхождения: "выдуваются" из Солнечной системы резко усилившимся солнечным ветром [Тверской, 1986]. Вспышки на Солнце дают у Земли дозу облучения в 100 раз больше допустимой, и потому опасны для космонавтов, а жителей Земли защищают атмосфера и магнитное поле Земли [Улубеков, 1984].    

Что будет с Солнцем и Землёй в будущем? 

Друзья! Мы живём на зелёной Земле,

Пируем в ночи, истлеваем в земле...

Неситесь, планеты! Неситесь, неситесь!

Ничем не насытясь, мы сгинем во мгле.

Павел Антокольский 

И, быть может, немного осталось веков,

Как на мир наш зелёный и старый

Дико ринутся хищные стаи песков

Из пылающей юной Сахары.

Средиземное море засыпят они,

И Париж, И Москву, И Афины,

И мы будем в небесные верить огни,

На верблюдах своих бедуины.

И когда, наконец, корабли марсиан

У земного окажутся шара,

То увидят сплошной золотой океан

И дадут ему имя: Сахара.

Николай Гумилёв 

Что мы есть? - Да всего лишь

Игра непонятной природы. Нас когда-нибудь смоет

Пылающий звёздный прибой.

Галина Дицман

Считается, что Солнцу 4,8 миллиардов лет (по некоторым данным - 4,5 миллиардов лет). Оно возникло чуть раньше или в одно и то же время с планетами Солнечной системы из общего газово-пылевого облака. Солнце - звезда второго звёздного поколения Нашей Галактики, и образовавшее его облако возникло из вещества, выброшенного взорвавшимися звёздами первого поколения (то есть это вещество сверхновых звёзд, удержанное полем тяготения Нашей Галактики). При взрыве сверхновых звёзд образуется какое-то количество тяжёлых элементов, и поэтому такие элементы есть в Солнечной системе, хотя всё равно преобладают лёгкие элементы - водород, гелий. Так как тяжёлые элементы необходимы для жизни, иногда образно говорят, что все мы - дети взорвавшихся звёзд (жизнь не могла возникнуть вблизи звёзд первого поколения).

Предполагаемый начальный состав Солнца - 73% водорода и 25% гелия (примерно то же соотношение, что и при Большом Взрыве, породившем Нашу Вселенную, но с присутствием тяжёлых элементов). Раньше Солнце вращалось вокруг своей оси быстрее, чем сейчас [Кацова, Лившиц, 1998]. В дальнейшем водород в солнечном ядре начал выгорать и превращаться в гелий. Потоки света и солнечной плазмы (ионизированного вещества) потекли от Солнца во все стороны, и масса Солнца стала медленно уменьшаться. Количество гелия в ядре стало расти, и более тяжёлое и компактное ядро увеличило свою температуру и усилило термоядерные реакции. В результате этого Солнце стало светить чуть ярче и продолжает непрерывно увеличивать светимость. При этом вращение Солнца вокруг оси чуть замедлилось: энергия пошла на образование короны и поддержание активных процессов в ней (солнечный ветер уносит вмороженные в него магнитные поля, которые до какой-то высоты вращаются вместе с Солнцем, а потом тормозятся, закручиваются вокруг Солнца и тормозят его, взаимодействуя с магнитными полями под поверхностью звезды) [Кацова, Лившиц, 1998]. Торможение звезды звёздным ветром приводит к уменьшению конвективных потоков и уменьшению поверхностной активности звезды, но не влияет на общую активность.

Сейчас светимость Солнца на 30% выше, чем вначале, а масса несколько уменьшилась [Что ожидает Солнце и Землю? 1994]. Это привело к некоторым изменениям в Солнечной системе. Из-за уменьшения солнечной массы планеты чуть-чуть отодвинулись от Солнца, но, по-видимому, всё равно стали получать чуть-чуть больше света.

Водородного топлива Солнцу хватит ещё на 5 миллиардов лет [Вселенная, 1999]. При этом будут происходить хорошо предсказуемые события [Что ожидает Солнце и Землю? 1994].

Через 1,1 миллиарда лет светимость Солнца возрастёт ещё на 10%. Через 3,5 миллиардов - на 40%. Земля тогда, возможно, станет похожа на Венеру: водяной пар в верхних слоях атмосферы разложится под действием света на кислород и водород, лёгкий водород улетит в Космос, вода исчезнет и перестанет с дождями вымывать углекислый газ из атмосферы, он накопится и вызывет катастрофическое нагревание поверхности планеты за счёт парникового эффекта. Зато в это время могут возникнуть благоприятные условия для жизни на Марсе (растает вечная мерзлота, наполнится водой океан Бореалис и т.д.). Следующие 6,4 миллиарда лет водород на Солнце будет выгорать в оболочке гелиевого ядра. Потом температура в увеличившемся гелиевом ядре возрастёт до такой степени, что "загорится" гелий (с образованием кислорода и углерода). Солнце при этом увеличит светимость ещё в 2 раза. В течение 1,3 миллиардов лет оно станет медленно расширяться и увеличит диаметр в 170 раз. При этом поглотится Меркурий. Земли это расширение не достигнет. Кроме того, от Солнца к этому времени останется только 72,5% современной массы, и Земля отодвинется. Наступит стабильная пауза длительностью в 110 миллионов лет, которая сменится дальнейшим быстрым расширением Солнца в течение 20 миллионов лет. Тогда Солнце достигнет современной орбиты Земли и увеличит светимость в 5200 раз. Но масса Солнца составит только 59% современной, и Земля отодвинется аж к современному Марсу и уцелеет. Впрочем, температура на Земле достигнет 1600 градусов Цельсия, и это будет жидкая расплавленная планета. Когда гелий в ядре выгорит, солнечный ветер сдует оболочку Солнца. Из этой оболочки возникнет так называемая планетарная туманность. Такие туманности есть вокруг некоторых выгоревших звёзд, и раньше считали, что из них образуются планеты, а на самом деле это "последние выдохи умирающих звёзд". В центре Солнечной системы, вместо огромного красного гигантского Солнца, останется сжавшийся белый карлик с массой примерно 0,6 от современной и очень маленькой светимостью (за счёт энергии постепенного сжатия). Остатки Солнечной системы погрузятся в холод и мрак. Наступит безжизненная стабильность.  

Список литературы

Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://www.seminarium.narod.ru