Обобщенная модель зарождения Солнца и солнечной системы. Структура звезды, состоящей из различных по свойствам сфер. Излучение энергии солнечного ядра. Значение солнечных магнитных бурь для нашей планеты. Эффект защиты Земли от галактического ветра.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Солнце - как желтая звезда

солнце звезда магнитный ядро

Солнце является типичным желтым карликом. Так оно нами воспринимается на Земле. На самом деле, оно ослепительно белое, как излучение электросварки -- об этом свидетельствовал советский космонавт Алексей Леонов, первым в истории космонавтики вышедший в открытый космос. Он сначала не задвинул солнцезащитную пленку на скафандр и на мгновение был ослеплен белым лучом Солнца. Атмосфера рассеивает и поглощает коротковолновой спектр сложного белого света, оставшийся видимый свет воспринимается нами как желтый.

История Солнца началась около 4,6 миллиарда лет назад. Предполагается, что мы принадлежим третьему поколению звездных систем в эволюции нашей Вселенной с момента Большого Взрыва. Изотопный анализ показывает, что вещество Солнца и солнечной системы составилось из молекулярного облака, образовавшегося из двух взрывов сверхновых, разбросавших вокруг вещество, содержащее водород, гелий, углерод, азот, кислород, железо и другие элементы. Часть этого вещества обособилось в некое газопылевое облако диаметром в несколько световых лет. Его масса составляла свыше 10^31 кг. Естественно, под действием столь большой массы происходит гравитационное сжатие этого облака. Гравитация согласно Эйнштейну искривляет пространство-время, поэтому частицы сжимающегося вещества перемещаются к центру облака не прямолинейно, а по спирали. Так зарождается вращение этого облака. Согласно закону сохранения импульса с уменьшением радиуса вращения растет его угловая скорость.

Рис. 1 Протосолнце с аккреционным диском

Под воздействием собственной гравитации облако сжалось в компактный вращающийся диск, в центре которого сформировалось будущее Солнце - газовый шар протосолнце. Гравитация сжимала протосолнце, тем самым разогревая его, и при температуре порядка 10 миллионов градусов Кельвина в центре системы началась реакция протон-протонного термоядерного синтеза. Аккреция диска прекратилась, когда сила солнечного ветра и центробежная сила вращения диска превзошли силу гравитации притягивания вещества диска к протосолнцу, и солнечный ветер - альфа-частицы, протоны и электроны - разогнал остатки материала по орбитам будущей Солнечной системы. В этой ситуации протосолнце стало Солнцем -- звездой главной последовательности. Такова наиболее обобщенная модель зарождения Солнца и солнечной системы.

Рис. 2 Структура Солнца

Солнце имеет несколько различных по свойствам сфер в своей структуре.

Во-первых, это ядро, в котором происходит в настоящее время термоядерный синтез гелия из водорода. Радиус ядра составляет примерно четверть радиуса Солнца, то есть около 170 тысяч километров.

Накопление гелия ведет к постепенному повышению температуры ядра. В настоящее время она составляет 15,7 миллионов градусов Кельвина. В процессе термоядерной реакции количество водорода уменьшается, гелиевые скопления ядра увеличиваются. Параллельно с этим уменьшается водородная реактивная часть объема ядра. Давление в реактивной части ядра от этого растет, что и ведет к повышению интенсивности термоядерного синтеза и его температуры. Расчеты показывают, что через 1,1 миллиард лет тепловое излучение Солнца увеличится на десять процентов, что приведет к росту температуры на поверхности Земли с нынешней средней 15 градусов Цельсия до 47.

Термоядерный синтез, происходящий в ядре, создает положительный энергобаланс, то есть выделяется энергии больше, чем затрачивается. Каждую секунду сгорает 4,26 миллионов тонн водорода, превращаясь в гелий. Так как масса Солнца 2х10^27 тонн, то этого добра хватает на 11 миллиардов лет.

Часть энергии, вырабатываемая в солнечном ядре, теряется практически впустую - в виде излучения нейтрино. Нейтрино не взаимодействует с барионным материалом, поэтому солнечное вещество для него прозрачно. Это излучение просто охлаждает солнечный котел. Кстати это свойство нейтрино и является причиной его открытия. Ученые думали-думали, а куда девается некая часть энергии? По расчетам должно быть столько, а излучается почему-то меньше. Вот и решили, что всему причиной являются некие нейтрино. Сейчас их пытаются изучать и даже найти им практическое применение.

Ну а полезная энергия солнечного ядра, которая дает нам жизнь и прочие блага, излучается в виде фотонов. Фотоны -- это кванты электромагнитного излучения. Они различаются по длине волн.

Ядро своей энергией рождает самые высокоэнергичные коротковолновые фотоны -- гамма-излучение. Гамма-фотоны из ядра попадают в следующую сферу солнечных недр -- радиационную, называемую еще зоной лучистого переноса, толщина которой оценивается примерно в 350 тысяч километров. Это плотная плазма, температура которой составляет от 2 миллионов Кельвинов в наружной части до 7 миллионов Кельвинов во внутренней. Из-за высокой плотности -- от 0,2 на поверхности до 20 г/см^3 в глубине -- макроскопические конвективные перемещения вещества в этой сфере отсутствуют. Энергия переносится фотонами.

Рис. 3 Электромагнитные излучения по длине волн

В среднем условный фотон проходит эту зону за 170 тысяч лет. Фотон условен потому, что это в общем-то не один и тот же фотон, допустим, с именем А идет и идет через зону лучистого переноса. Он поглощается каким-то атомом плазмы, который от полученной энергии возбуждается и выделяет новый фотон Б и т. д. Происходит что-то вроде цепной реакции поглощений и выделений фотонов. Понятно, что к наружной поверхности зоны лучистого переноса основная часть фотонов доходит с потерями энергии, то есть увеличиваясь в длине волны и становясь уже рентгеновским излучением.

Следующая сфера -- конвективная зона толщиной 200 тыс километров. Здесь уже температура и плотность плазмы недостаточна для возможности лучистого переноса энергии. Получив энергию фотонов из предыдущей зоны, вещество плазмы перемещается в наружную часть конвективной зоны к фотосфере, охлаждаясь до 5800 Кельвинов. Соответственно, и длины волн фотонов, которые излучает солнечное вещество из конвективной зоны, доходят до световых диапазонов. Передав энергию фотонов фотосфере, охлажденное вещество плазмы возвращается к поверхности зоны лучистого переноса, чтобы возобновить цикл. Вот так и идет круговорот плазмы в конвекционной зоне -- это, собственно, и есть конвекция солнечного вещества.

Следующая зона -- фотосфера имеет толщину порядка 100-400 километров. Само название дает понять, что это то, что мы видим на Солнце. Если, конечно, вооружимся солнцезащитным оборудованием. Так называемая эффективная температура фотосферы Солнца составляет 5780 Кельвинов. То есть это та температура, которую получает следующая зона хромосфера от фотосферы.

Хромосфера -- относительно прозрачная разреженная зона толщиной от 2 000 до 20 000 километров. В этой сфере происходит разогрев вещества до 20 000 Кельвинов. При затмении Солнца эта сфера видится как красная, отсюда и название.

Также во время затмения мы наблюдаем внешнюю оболочку солнечной атмосферы -- корону. Это выбросы солнечного вещества, так называемые протуберансы, порождаемые солнечным ветром и магнитными дугами, выходящими над поверхностью фотосферы. Температура верхней части короны достигает 1 500 000 миллионов Кельвинов. Соответственно отсюда солнечный луч получает рентгеновский диапазон излучения, из-за которого космос за пределами земной магнитосферы опасен для здоровья космонавтов.

Немного о магнетизме Солнца. Движение плазмы в конвективной зоне создает магнитные поля на поверхности фотосферы. Ведь плазма -- это ионизированное вещество, движение заряженных частиц создает магнетизм, как известно. На поверхности фотосферы скапливается магнитный потенциал в виде так называемых солнечных пятен -- затемненных участков.

Рис. 4 Солнечные пятна

Дело в том, что магнетизм препятствует прямолинейному излучению световых фотонов, силовые линии магнитного поля направляют их энергию по своим касательным.

Рис. 5 Магнитная буря на Солнце

Скапливаясь, энергия магнитов подымает плазму над поверхностью фотосферы в виде дуг, которые отрываются от поверхности фотосферы и массивы солнечного вещества летят в окружающее пространство. Иногда дуги могут сталкиваться друг с другом, при этом происходит короткое замыкание и разрыв. В месте разрыва дуги создается очаг с температурой до 20 миллионов Кельвинов, который дает гамма-вспышку. Эти гамма-вспышки происходят на Солнце не так интенсивно, как на красных карликах. Ну только по «большим праздникам» в соответствии с так называемыми циклами солнечной активности, например, 11-летними циклами формирования солнечных пятен.

Вот казалось бы, ну что хорошего в этих солнечных магнитных бурях для жителей Земли. Они нездорово влияют на самочувствие некоторых людей. Из-за них случались даже сбои в работе электронных приборов. Они опасны для космонавтов на орбитальной станции.

Но вот что есть в них полезное для нашего хозяйства так это защита от вредного влияния галактического излучения - вещества, улетевшего с других звезд галактики в результате взрывов сверхновых. В настоящее время, к примеру, на Солнце тихо, нет магнитной активности, и солнечный ветер работает в ослабленном режиме, уменьшая тем самым защиту от галактического ветра. Это приводит к тому, что на высоте около 90-120 км от поверхности Земли (у полюсов меньше, у экватора больше) частицы галактического ветра превращают имеющиеся там атомы азота-14 в углерод-14.

Эта область называется слоем Е ионосферы. Земная магнитосфера защищает атмосферу Земли от галактического и солнечного ветра. Но какая-то небольшая доля частиц все же пробивается в верхнюю часть атмосферы. Поэтому в диапазоне высот 60-1000 км под действием радиации сформировалась ионосфера - разреженный газ, состоящий из смеси молекул азота и кислорода и ионов этих наименований.

Скорость частиц галактического ветра может значительно превышать скорость нашего родного солнечного ветра, поскольку он исходит от взрывов сверхновых. Высокоскоростной электрон галактического ветра, попадая в атом азота, проникает сквозь электронную оболочку в протон ядра азота и превращает его в нейтрон - так образуется изотоп углерода с атомным весом 14 а.е.

А углерод-14 обладает свойством повышать альбедо (степень отражения солнечных лучей) атмосферы, что может приводить со временем (за сотни миллионов лет, к примеру) к похолоданию на поверхности Земли. Когда магнитная активность на Солнце опять возбуждается, потоки солнечного ветра увеличиваются, что дает эффект усиления защиты от галактического ветра. И усилившийся солнечный ветер удаляет скопившиеся в слое Е вещества, в том числе углерод-14. Если бы не магнитные солнечные бури, Земля, возможно, заледенела бы, стала бы Землей-снежком.

Рис. 6 Земля-снежок

Размещено на Allbest.ru