Сонце

Спостерігачеві Сонце здається ідеально круглим диском, яскравість якого дещо зменшується від центра до краю. Цей факт дозволяє ввести поняття „поверхні Сонця”. Сонце має складну будову як внутрішніх, так і зовнішніх шарів. Зовнішні шари Сонця – це його атмосфера, яку поділяють на три концентричні оболонки.

Фотосфера (сфера світла) – найнижчий та найщільніший шар атмосфери, 300 км завтовшки. Її умовно називають поверхнею Сонця. Вона має жовто-білий колір. Температура фотосфери зменшується з висотою. Температура приблизно 6000 К. За таких умов всі молекули розпадаються на атоми, лише у верхніх шарах зберігається відносно небагато найпростіших молекул: H2, OH, CH. Розглядаючи фотографії Сонця, можна помітити на його поверхні тонкі деталі: дрібні яскраві зернятка, розділені вузькими темними доріжками – гранули. Їх температура на 500 К вища ніж у проміжків. Гранули існують 7 хв. дослідження показали, що це потоки гарячого газу.

Хромосфера (забарвлена сфера) – вузьке жовто-червоне кільце. Його товщина 12 – 15 тис. км, температура 4500 – 100 000 К. Вона дуже неоднорідна. Спікули – довгасті, схожі на язики полум’я утворення. Час життя спікули 5 хв., діаметр 500 – 3000 км.

Сонячна корона – сріблясто-білого кольору. Температура 100 000 – 2 000 000 К. Найвіддаленіші частини корони не утримуються сонячним тяжінням, тому речовина корони неперервно витікає, формуючи явище сонячного вітру. Речовина сонячного вітру складається з ядер водню і гелію.

Поширюючись на величезну відстань, аж за орбіту Сатурна, сонячний вітер утворює велетенську геліосферу, яка межує зі ще більш розрідженим міжзоряним середовищем.

Радіус Сонця = 700 000 км, маса Сонця = 2·1030 кг, середня густина = 1,4 г/см3. Сонячна стала – енергія, що надходить від Сонця на одиницю поверхні Землі за одиницю часу. q = 1,37 кВт/м2 . Світність Сонця: Lo=3,85 ·1026 Вт.

 Кількість енергії, що Сонце випромінює з одиниці поверхні за секунду: Eo= 6,3·107 Вт/м2 .

Фраунгофер описав у спектрі Сонця понад 570 окремих темних ліній. Найвиразніші з них він позначив літерами латинського алфавіту (від червоного до фіолетового) – A, B, C, D, E, F, G, H.

У 1857 р. німецькі фізики Кірхгоф і Бунзен порівняли довжини хвиль фраунгоферових ліній з досліджуваними в земних лабораторіях довжинами хвиль. Так було ототожнено близько десяти елементів. Відкрили новий хімічний елемент – гелій – у 1868 р. (Джозеф Лок’єр). У 1895 р. гелій було знайдено на Землі при дослідженні спектрів окремих мінералів. На Сонці виявлено 72 хімічних елементи. Водень і гелій складають 98 % маси.

Регулярні спостереження привели до висновку, що Сонце обертається навколо своєї осі в тому ж напрямку, що й планети навколо нього, проти годинникової стрілки. Кут нахилу осі обертання Сонця до екліптики: 82°45´.

Й. С. Шкловський: „…Історія існування будь-якої зорі – це справді титанічна боротьба між силою гравітації, яка намагається її необмежено стиснути, і силою газового тиску, що намагається її розшири, розсіяти у навколишньому міжзоряному просторі. Мільйони і мільйони років триває ця „боротьба”. Упродовж цих дивовижно великих строків сили рівні. Та врешті-решт перемога буде за гравітацією. Така драма еволюції кожної зорі”.

Стан зорі, в якому внутрішній тиск газу і випромінювання зрівноважує вагу речовини, розміщеної вище, називається станом гравітаційної рівноваги.

За останні 150 років було висловлено багато гіпотез щодо природи джерел енергії Сонця і зір. З теорії випливає, що під час гравітаційного стискання протозоря випромінює практично половину звільненої потенціальної енергії в навколишній простір. Друга її половина іде на нагрівання речовини самої зорі.

Зоря з масою М і радіусом R характеризується потенціальною енергією W:

W=3GM2 / 2R.

Якщо прийняти, що світність зорі з часом не змінюється і рівна спостережуваній тепер, то час стискання зорі або час, на який вистачить її потенціальної енергії, дорівнює

t=3GM2 / 2RL.

Гравітаційне стискання може бути джерелом енергії зір лише на відносно коротких етапах їхнього розвитку. Винятково важливою обставиною є те, що маса ядра гелію майже на 1 % менша за масу чотирьох протонів. Ця втрата маси, дефект мас, і є причиною виділення внаслідок ядерних реакцій великої кількості енергії. Згідно формули Ейнштейна . Реакції синтезу гелію і енерговиділення, яке їх супроводжує, найбільш інтенсивно відбуваються в центрі Сонця, де температура і тиск найвищі. Вони можуть перебігати двома шляхами:

1) Протон-протонний цикл

2) Вуглецево-азотний цикл.

Маючи такі джерела енергії як термоядерний синтез, Сонце може світити близько 10 мільярдів років.

Від центра Сонця і до віддалі (0,2 – 0,3)R знаходить ядро – зона, де зосереджена половина сонячної маси і виділяється практично вся енергія, що змушує його світитись. Оскільки перенос енергії в ядрі відбувається не конвекцією, а перевипромінювання квантів, такий стан ядра називають променистим.

Зона, в якій енергія переноситься шляхом поглинання випромінювання і наступного його перевипромінювання, називається зоною променистої рівноваги.

Вище в перенесенні енергії починає брати участь сама речовина і утворюється конвективна зона. В цілому процес передачі енергії від центральних областей до фотосфери дуже повільний і триває мільйони років.

На сонячній поверхні часто спостерігаються особливі утворення: ділянки з підвищеною яскравістю – факели, ділянки із зниженою яскравістю – плями, інколи з’являються короткоживучі дуже яскраві спалахи, а на краю диска помітні протуберанці. Всі вони є активними утвореннями на Сонці, а їх поява і розвиток – це прояв сонячної активності.

Місця, де спостерігаються активні утворення, отримали назву активних зон. Вони мають сильні локальні магнітні поля. Активні зони у фотосфері проявляють себе передовсім сонячними плямами. Вони мають вигляд темних утворень, тому що температура речовини в них менша (4500 К). Розміри плям в середньому рівні 40 000 км, проте бувають плями діаметром до 180 000 км. У великій плямі виділяють значно темніше ядро і півтінь. Час життя поодиноких плям досягає кількох місяців, для груп плям він іноді обмежений кількома годинами.

В середині XIX ст. було виявлено, що в різні роки кількість плям на Сонці неоднакова. Є роки, коли їх багато – це максимум активності. За міру плямотворної діяльності Сонця прийнято число Вольфа:

W=10g+f,

де g – кількість груп плям, f – загальна кількість усіх плям.

Максимум числа W від циклу до циклу неоднакові. Ймовірно, окрім 11-річного циклу активності, існує віковий цикл – певна повторюваність максимумів через 80 – 90 років. Є припущення,  що існує тисячолітній цикл, з періодом близько 1100 років.

При спостереженні Сонця через густо-червоний світлофільтр на краю диска видно своєрідні світлі виступи над поверхнею, його, які можуть простягатися далеко за межі хромосфери аж у корону – протуберанці – це речовина, яка підіймається над сонячною поверхнею і утримується над нею завдяки магнітному полю. Їх довжина сягає 200 000 км.

Досить часто над сонячними плямами у хромосфері відбуваються хромосферні спалахи. Спалах починається зростанням температури корони до 40 млн. К. Спалах – раптове виділення енергії, накопиченої у магнітному полі активної зони. Швидкість викиду частинок 3000 – 30 000 км/с. Сонячні космічні промені – частинки, що рухаються зі швидкістю світла. Спалахи вирізняються своєю особливою здатністю впливати на геофізичний стан Землі.

Під час спалаху потік рентгенівських квантів зростає у 100 – 400 разів, то вже через 8 хв. 20 с вони досягають орбіти Землі й проникають в іоносферу. Жорстке випромінювання спричиняє додаткову іонізацію повітря. Тому порушується зв'язок на коротких радіохвилях. Руйнується озоновий шар. Через декілька годин після спалаху Землі досягає потік високоенергетичних частинок. Завдяки наявності геомагнітного поля вони не потрапляють на земну поверхню, але в районах магнітних полюсів, де силові магнітні лінії виходять з поверхні або входять у неї, частинки проникають до висот 100 км, іонізують і збуджують атоми повітря. При поверненні атомів до нейтрального стану відбувається висвячування, яке спостерігається у вигляді полярних сяйв.

Ще через 1 – 2 доби Землі досягає підсилений потік сонячного вітру. Під його дією земна магнітосфера стискається. При стисненні магнітосфери напруженість магнітного поля збільшується, при розширенні, навпаки, зменшується. Так виникає окремий сплеск геомагнітного збурення тривалістю близько години. Потужні сонячні збурення обумовлюють тривале підсилення сонячного вітру. В магнітосферу надходить один імпульс за іншим. Виникає послідовна серія збурень геомагнітного поля, коли його напруженість швидко і різко змінюється – настає магнітна буря.

Активність Сонця впливає на погоду. Цей зв'язок можна прослідкувати так. Встановлено, що крім екваторіального кільцевого струму, в районах геомагнітних полюсів н висоті 100 км вздовж магнітних паралелей також тече електричний струм. Після надходження від Сонця посиленого потоку заряджених частинок деяка їх кількість затримується у високих широтах і підсилює цю течію. Збільшення струму призводить до додаткового розігріву атмосфери. Утворюються хвилі, що є енергетичними містками між іоносферою і тропосферою. Підсилюється меридіональна циркуляція повітря. Там, де тиск був низьким, він стає ще нижчим, а де був високим – ще вищим. У тропічній зоні народжуються тайфуни, а на континентах – засухи.

У ритмі з циклами сонячної активності настають певні коливання клімату Землі. У тисячолітньому циклі істотно коливається рівень води в озерах і морях. У V ст. н. е. на березі Каспійського моря  були збудовані порт Дербент і фортеця. Тепер залишки її стін перебувають на глибині 5 м, а в XI – XIV ст. ця глибина сягала 8 м.

В роки максимуму сонячної активності приріст дерев був більшим, ніж у роки мінімумів. Тісно пов’язані з 11-річним циклом періоди підвищеного розмноження каракуртів, бліх, саранчі. Через зміну чисельності бактерій та вірусів сонячна активність впливає на поширення епідемій та пандемій. У роки високої сонячної активності виникають пандемії холери, грипу, дизентерії, дифтерії.

Найчутливішими до змін напруженості геомагнітного поля, обумовлених сонячною активністю, є нервова і серцево-судинна системи людини. У людей з хворобами серцево-судинної системи під час геомагнітних бур погіршується стан, збільшується число інфарктів та інсультів. У здорових людей змінюється сприйняття часу, сповільнюється рухова реакція, знижується короткочасна пам'ять, увага. Сонячна активність впливає на систему крові.

У зв’язку з цим дуже важливо вести регулярні спостереження за Сонцем і вміти аналізувати різні явища на ньому. Саме цим і займається багато обсерваторій світу.

 Відео "Сонце"