Солнце

I. Общие сведения

Солнце, центральное тело солнечной системы, представляет собой раскалённый плазменный шар. Оно возникло пять миллиардов лет назад в результате сжатия космического газа. (Рис. ).

Солнце - ближайшая к Земле звезда. Масса Солнца 1,990х1030 кг (в 332958 раз больше массы Земли). В Солнце сосредоточено 99,866% массы Солнечной системы. Солнечный параллакс равен 8,794" (4,263х10-5 радиан). Расстояние от Земли до Солнца меняется от 1,4710х1011 м (в январе) до 1,5210х1011 (в июле), составляя в среднем 1,4960х1011 м (Рис. ).

Это расстояние принято считать одной астрономической единицей. Средний угловой диаметр Солнца составляет 1919,26" (9,305х10-3 рад), чему соответствует линейный диаметр Солнца, равный 1,392х109м (в 109 раз больше диаметра экватора Земли). Средняя плотность Солнца 1,41х103кг/м3. Ускорение свободного падения на поверхности Солнца составляет 273,98 м/сек2. Вторая космическая скорость на поверхности Солнца равна 6,18х105 м/сек. Эффективная температура поверхности Солнца, определяемая согласно закону излучения Стефана-Больцмана, по полному излучению Солнца равна 5770 К.

II. История изучения

История телескопических наблюдений Солнца начинается с наблюдений, выполненных Г.Галлилеем в 1611 году; были открыты солнечные пятна, определён период вращения Солнца вокруг своей оси.

В 1843 году немецкий астроном Г.Швабе обнаружил цикличность солнечной активности. Развитие методов спектрального анализа позволило изучить физические условия на Солнце.

В 1814 году Й.Фраунгофер обнаружил тёмные линии поглощения в спектре Солнца - это положило начало изучению химического состава Солнца.

С 1836 года регулярно ведутся наблюдения затмений Солнца, что привело к обнаружению короны и хромосферы Солнца, а также солнечный протуберанцев.

В 1913 году американский астроном Дж.Хейл наблюдал зеемановское расщепление фраунгоферовых линий спектра солнечных пятен и этим доказал существование на Солнце магнитных полей.

К 1942 году шведский астроном Б.Эдлен и другие отождествили несколько линий спектра солнечной короны с линиями высоко ионизированных элементов, доказав этим высокую температуру в солнечной короне.

В 1931 году Б.Лио изобрёл солнечный коронограф, позволивший наблюдать корону и хромосферу вне затмений. В начале 40-х годов XX века было открыто радиоизлучение Солнца. Существенным толчком для развития физики Солнца во второй половине XX века послужило развитие магнитной гидродинамики и физики плазмы. После начала космической эры изучение ультрафиолетового и рентгеновского излучения Солнца ведётся методами внеатмосферной астрономии с помощью ракет, автоматических орбитальных обсерваторий на спутниках Земли, космических лабораторий с людьми на борту.

Запущенная в 1973 году космическая станция ''Скайлэб'' служила несколько лет центром подобных исследований. Она была оснащена многими приборами для изучения внешних слоёв Солнца, его ультрафиолетового и рентгеновского излучений, а также солнечного ветра. Пока ''Скайлэб'' находился на околоземной орбите, германо-американские зонды ''Гелиос'' довольно близко подходили к раскаленной поверхности дневной звезды. ''Гелиос-1'' и '' Гелиос-2'' были не спутниками Земли, а маленькими планетами, которые приближались к Солнцу на 46-43 млн. км. Это меньше трети расстояния между Землей и Солнцем. Не смотря на чудовищное излучение Солнца на таком не большом расстоянии, на зондах поддерживалась температура 20 градусов Цельсия. Полученные данные были во многом новыми и неожиданными. Особенно интересным оказалось то, что пространственная плотность в мелких метеоритах в близи Солнца в 15-ть раз выше, чем около |Земли.

Зонд ''Солнечный максимум'' был спутником Земли и исследовал внешние слои Солнца и его невидимое излучение. Было установлено,

что полное излучение Солнца за полтора года наблюдений изменялось только на 0,01%.

III. Вращение Солнца

Вращение Солнца вокруг оси происходит в том же направлении, что и вращение Земли, в плоскости, наклонённой на 7±15' к плоскости орбиты Земли (эклиптике). Скорость вращения определяется по видимому движению различных деталей в атмосфере Солнца и по сдвигу спектральных линий в спектре края диска Солнца вследствие эффекта Доплера. Таким образом, было обнаружено, что период вращения Солнца неодинаков на разных широтах. Положение различных деталей на поверхности Солнца определяется с помощью гелиографических координат, отсчитываемых от солнечного экватора (гелиографическая широта) и от центрального меридиана видимого диска Солнца или от некоторого меридиана, выбранного в качестве начального (так называемого меридиана Каррингтона). При этом считают, что Солнце вращается как твёрдое тело. Один оборот относительно Земли точки с гелиографической широтой 17± совершают за 27,275 суток (синодический период). Время оборота на той же широте Солнца относительно звёзд (сидерический период) - 25,38 суток. Угловая скорость вращения f для сидерического вращения изменяется с гелиографической широтой w по закону: w=14,33±-3±sin2f в сутки. Линейная скорость вращения на экваторе Солнца - около 2000 м/сек.

IV. Cолнце как звезда

Солнце как звезда является типичным жёлтым карликом и располагается в средней части главной последовательности звёзд на диаграмме Герцшпрунга-Рессела. Видимая фотовизуальная звёздная величина Солнца равна -26,74, абсолютная визуальная звёздная величина Mv равна +4,83. Показатель цвета Солнца составляет для случая синей (В) и визуальной (М) областей спектра MB-MV=0,65. Спектральный класс Солнца G2V. Скорость движения относительно совокупности ближайших звёзд 19,7х103 м/сек. Солнце расположено внутри одной из спиральных ветвей нашей Галактики на расстоянии около 10 кпс от её центра. (Рис. ). Период обращения Солнца вокруг центра Галактики около 200 миллионов лет. Возраст Солнца - около 5х109 лет.

V. Внутреннее строение Солнца

Внутреннее строение Солнца (Рис. ) определено в предположении, что оно является сферически симметричным телом и находится в равновесии. Уравнение переноса энергии, закон сохранения энергии, уравнение состояния идеального газа, закон Стефана-Больцмана и условия гидростатического, лучистого и конвекционного равновесия вместе с определяемыми из наблюдений значениями полной светимости, полной массы и радиуса Солнца и данным о его химическом составе дают возможность построить модель внутреннего строения Солнца. Полагают, что содержание водорода в Солнце по массе около 70%, гелия около 27%, содержание всех остальных элементов около 2,5%. На основании этих предположений вычислено, что температура в центре Солнца составляет 10-15х106К, плотность около 1,5х105 кг/м3, давление 3,4х1016 н/м2 (около 3х1011 атмосфер).

V.1. Энергия Солнца

Считается, что источником энергии, пополняющим потери на излучение и поддерживающим высокую температуру Солнца (Рис. ), являются ядерные реакции, происходящие в недрах Солнца.

Среднее количество энергии, вырабатываемое внутри Солнца, составляет 1,92 эрг/г/сек. Выделение энергии определяется ядерными реакциями, при которых водород превращается в гелий. На Солнце возможны две группы термоядерных реакций: так называемый протон - протонный (водородный) цикл и углеродный цикл (цикл Бете). Наиболее вероятно, что на Солнце преобладает протон протонный цикл, состоящий из трёх реакций, в первой из которых из ядер водорода образуются ядра дейтерия (тяжёлый изотоп водорода, атомная масса 2); во второй из ядер водорода образуются ядра изотопа гелия с атомной массой 3 и, наконец, в третьей из них образуются ядра устойчивого изотопа гелия с атомной массой 4.