Наше место в этом мире
Млечный путь - шаша Галактика
Солнечная атмосфера - фотосфера

Фотосфера - атмосфера Солнца начинается на 200-300 км глубже видимого края солнечного края. Эти самые глубокие слои атмосферы называют фотосферой. Поскольку их толщина составляет не более одной трехтысячной доли солнечного радиуса, фотосферу иногда условно называют поверхностью Солнца.
Плотность газов в фотосфере примерно такая же, как в земной стратосфере, и в сотни раз меньше, чем у поверхности Земли. Температура фотосферы уменьшается от 8000 К на глубине 300 км до 4000 К в самых верхних слоях. Температура же того среднего слоя, излучение которого мы воспринимаем, около 6000 К. При таких условиях почти все молекулы газа распадаются на отдельные атомы. Лишь в самых верхних слоях фотосферы сохранятся относительно немного простейших молекул и радикалов типа H 2 , OH, CH.

Особую роль в солнечной атмосфере играет не встречающийся в земной природе отрицательный ион водорода, который представляет собой протон с двумя электронами. Это необычное соединение возникает в тонком внешнем, наиболее холодном слое фотосферы при "налипании" на нейтральные атомы водорода отрицательно заряженных свободных электронов, которые поставляются легко ионизуемыми атомами кальция, натрия, магния, железа и других металлов. При возникновении отрицательные ионы водорода излучают большую часть видимого света. Этот же свет ионы жадно поглощают, из-за чего непрозрачность атмосферы с глубиной быстро растет. Поэтому видимый край Солнца и кажется нам очень резким.
Почти все наши знания о Солнце основаны на изучении его спектра - узенькой разноцветной полоски, имеющей ту же природу, что и радуга. Впервые, поставив призму на пути солнечного луча, такую полоску получил Ньютон и воскликнул: "Спектрум!" (лат. spectrum - "видение"). Позже в спектре Солнца заметили темные линии и сочли их границами цветов.
В телескоп с большим увеличением можно наблюдать тонкие детали фотосферы: вся она кажется усыпанной мелкими яркими зернышками - гранулами, разделенными сетью узких темных дорожек. Грануляция является результатом перемешивания всплывающих более теплых потоков газа и опускающихся более холодных. Разность температур между ними в наружных слоях сравнительно невелика (200-300 К), но глубже, в конвективной зоне, она больше, и перемешивание происходит значительно интенсивнее. Конвекция во внешних слоях Солнца играет огромную роль, определяя общую структуру атмосферы. В конечном счете именно конвекция в результате сложного взаимодействия с солнечными магнитными полями является причиной всех многообразных проявлений солнечной активности. Магнитные поля участвуют во всех процессах на Солнце. Временами в небольшой области солнечной атмосферы возникают концентрированные магнитные поля, в несколько тысяч раз более сильные, чем на Земле. Ионизованная плазма - хороший проводник, она не может перемещаться поперек линий магнитной индукции сильного магнитного поля. Поэтому в таких местах перемешивание и подъем горячих газов снизу тормозится, и возникает темная область - солнечное пятно. На фоне ослепительной фотосферы оно кажется совсем черным, хотя в действительности яркость его слабее только в десять.
С течением времени величина и форма пятен сильно меняются. Возникнув в виде едва заметной точки - поры, пятно постепенно увеличивает свои размеры до нескольких десятков тысяч километров. Крупные пятна, как правило, состоят из темной части (ядра) и менее темной - полутени, структура которой придает пятну вид вихря. Пятна бывают окружены более яркими участками фотосферы, называемыми факелами или факельными полями.
Фотосфера постепенно переходит в более разреженные внешние слои солнечной атмосферы - хромосферу и корону.
Солнечная атмосфера - хромосфера

Хромосфера (греч. "сфера цвета") названа так за свою красновато-фиолетовую окраску. Она видна во время полных солнечных затмений как клочковатое яркое кольцо вокруг черного диска Луны, только что затмившего Солнце. Хромосфера весьма неоднородна и состоит в основном из продолговатых вытянутых язычков (спикул), придающих ей вид горящей травы. Температура этих хромосферных струй в два-три раза выше, чем в фотосфере, а плотность в сотни тысяч раз меньше. Общая протяженность хромосферы 10-15 тыс. километров.
Рост температуры в хромосфере объясняется распространением волн и магнитных полей, проникающих в нее из конвективной зоны. Вещество нагревается примерно так же, как если бы это происходило в гигантской микроволновой печи. Скорости тепловых движений частиц возрастают, учащаются столкновения между ними, и атомы теряют свои внешние электроны: вещество становится горячей ионизованной плазмой. Эти же физические процессы поддерживают и необычайно высокую температуру самых внешних слоев солнечной атмосферы, которые расположены выше хромосферы.
Часто во время затмений (а при помощи специальных спектральных приборов - и не дожидаясь затмений) над поверхностью Солнца можно наблюдать причудливой формы "фонтаны", "облака", "воронки", "кусты", "арки" и прочие ярко светящиеся образования из хромосферного вещества. Они бывают непожвижными или медленно изменяющимися, окруженными плавными изогнутыми струями, которые втекают в хромосферу или вытекают из нее, поднимаясь на десятки и сотни тысяч километров. Это самые грандиозные образования солнечной атмосферы - протуберанцы . При наблюдении в красной спектральной линии, излучаемой атомами водорода, они кажутся на фоне солнечного диска темными, длинными и изогнутыми волокнами.

Протуберанцы имеют примерно ту же плотность и температуру, что и хромосфера. Но они находятся над ней и окружены более высокими, сильно разреженными верхними слоями солнечной атмосферы. Протуберанцы не падают в хромосферу потому, что их вещество поддерживается магнитными полями активных областей Солнца.
Впервые спектр протуберанца вне затмения наблюдали французский астроном Пьер Жансен и его английский коллега Джозеф Локьер в 1868 г. Щель спектроскопа располагают так, чтобы она пересекала край Солнца, и если вблизи него находится протуберанец, то можно заметить спектр его излучения. Направляя щель на различные участки протуберанца или хромосферы, можно изучить их по частям. Спектр протуберанцев, как и хромосферы, состоит из ярких линий, главным образом водорода, гелия и кальция. Линии излучения других химических элементов тоже присутствуют, но они намного слабее.
Некоторые протуберанцы, пробыв долгое время без заметных изменений, внезапно как бы взрываются, и вещество их со скоростью в сотни километров в секунду выбрасывается в межпланетное пространство. Вид хромосферы также часто меняется, что указывает на непрерывное движение составляющих ее газов.
Иногда нечто похожее на взрывы происходит в очень небольших по размеру областях атмосферы Солнца. Это так называемые хромосферные вспышки (самые мощные взрывоподобные процессы, могут продолжаться всего несколько минут, но за это время выделяется энергия, которая иногда достигает 10 25 Дж). Они длятся обычно несколько десятков минут. Во время вспышек в спектральных линиях водорода, гелия, ионизованного кальция и некоторых других элементов свечение отдельного участка хромосферы внезапно увеличивается в десятки раз. Особенно сильно возрастает ультрафиолетовое и рентгеновское излучение: порой его мощность в несколько раз превышает общую мощность излучения Солнца в этой коротковолновой области спектра до вспышки.
Пятна, факелы, протуберанцы, хромосферные вспышки - все это проявления солнечной активности. С повышением активности число этих образований на Солнце становится больше.
Солнечная атмосфера - корона

Корона - в отличие от фотосферы и хромосферы самая внешняя часть атмосферы Солнца обладает огромной протяженностью: она простирается на миллионы километров, что соответствует нескольким солнечным радиусам, а ее слабое продолжение уходит еще дальше.
Плотность вещества в солнечной короне убывает с высотой значительно медленнее, чем плотность воздуха в земной атмосфере. Уменьшение плотности воздуха при подъеме вверх определяется притяжением Земли. На поверхности Солнца сила тяжести значительно больше, и, казалось бы, его атмосфера не должна быть высокой. В действительности она необычайно обширна. Следовательно, имеются какие-то силы, действующие против притяжения Солнца. Эти силы связаны с огромными скоростями движения атомов и электронов в короне, разогретой до температуры 1-2 млн градусов!
Корону лучше всего наблюдать во время полной фазы солнечного затмения. Правда, за те несколько минут, что она длится, очень трудно зарисовать не только отдельные детали, но даже общий вид короны. Глаз наблюдателя едва лишь начинает привыкать к внезапно наступившим сумеркам, а появившийся из-за края Луны яркий луч Солнца уже возвещает о конце затмения. Поэтому часто зарисовки короны, выполненные опытными наблюдателями во время одного и того же затмения, сильно различались. Не удавалось даже точно определить ее цвет.
Изобретение фотографии дало астрономам объективный и документальный метод исследования. Однако получить хороший снимок короны тоже нелегко. Дело в том, что ближайшая к Солнцу ее часть, так называемая внутренняя корона, сравнительно яркая, в то время как далеко простирающаяся внешняя корона представляется очень бледным сиянием. Поэтому если на фотографиях хорошо видна внешняя корона, то внутренняя оказывается передержанной, а на снимках, где просматриваются детали внутренней короны, внешняя совершенно незаметна. Чтобы преодолеть эту трудность, во время затмения обычно стараются получить сразу несколько снимков короны - с большими и маленькими выдержками. Или же корону фотографируют, помещая перед фотопластинкой специальный "радиальный" фильтр, ослабляющий кольцевые зоны ярких внутренних частей короны. На таких снимках ее структуру можно проследить до расстояний во много солнечных радиусов.
Уже первые удачные фотографии позволили обнаружить в короне большое количество деталей: корональные лучи, всевозможные "дуги", "шлемы" и другие сложные образования, четко связанные с активными областями.
Главной особенностью короны является лучистая структура. Корональные лучи имеют самую разнообразную форму: иногда они короткие, иногда длинные, бывают лучи прямые, а иногда они сильно изогнуты. Еще в 1897 г. пулковский астроном Алексей Павлович Ганский обнаружил, что общий вид солнечной короны периодически меняется. Оказалось, что это связано с 11-летним циклом солнечной активности.
С 11-летним периодом меняется как общая яркость, так и форма солнечной короны. В эпоху максимума солнечных пятен она имеет сравнительно округлую форму. Прямые и направленные вдоль радиуса Солнца лучи короны наблюдаются как у солнечного экватора, так и в полярных областях. Когда же пятен мало, корональные лучи образуются лишь в экваториальных и средних широтах. Форма короны становится вытянутой. У полюсов появляются характерные короткие лучи, так называемые полярные щеточки. При этом общая яркость короны уменьшается. Эта интересная особенность короны, повидимому, связана с постепенным перемещением в течении 11-летнего цикла зоны преимущественного образования пятен. После минимума пятна начинают возникать по обе стороны от экватора на широтах 30-40°. Затем зона пятнообразования постепенно опускается к экватору.
Тщательные исследования позволили установить, что между структурой короны и отдельными образованиями в атмосфере Солнца существуют определенная связь. Например, над пятнами и факелами обычно наблюдаются яркие и прямые корональные лучи. В их сторону изгибаются соседние лучи. В основании корональных лучей яркость хромосферы увеличивается. Такую ее область называют обычно возбужденной. Она горячее и плотнее соседних, невозбужденных областей. Над пятнами в короне наблюдаются яркие сложные образования. Протуберанцы также часто бывают окружены оболочками из корональной материи.
Корона оказалась уникальной естественной лабораторией, в которой можно наблюдать вещество в самых необычных и недостижимых на Земле условиях.
На рубеже XIX-XX столетий, когда физика плазмы фактически еще не существовала, наблюдаемые особенности короны представлялись необъяснимой загадкой. Так, по цвету корона удивительно похожа на Солнце, как будто его свет отражается зеркалом. При этом, однако, во внутренней короне совсем исчезают характерные для солнечного спектра фраунгоферовы линии. Они вновь появляются далеко от края Солнца, во внешней короне, но уже очень слабые. Кроме того, свет короны поляризован: плоскости, в которых колеблются световые волны, располагаются в основном касательно к солнечному диску. С удалением от Солнца доля поляризованных лучей сначало увеличивается (почти до 50%), а затем уменьшается. Наконец, в спектре короны появляются яркие эмиссионные линии, которые почти до середины XX в. не удалось отождествить ни с одним из известных химических элементов.
Оказалось, что главная причина всех этих особенностей короны - высокая температура сильно разреженного газа. При температуре свыше 1 млн градусов средние скорости атомов водорода превышают 100 км/с, а у свободных электронов они еще раз в 40 больше. При таких скоростях, несмотря на сильную разреженность вещества (всего 100 млн частиц в куб см, что в 100 млрд раз разреженнее воздуха на Земле!), сравнительно часты столкновения атомов, особенно с электронами. Силы электронных ударов так велики, что атомы легких элементов практически полностью лишаются всех своих электронов и от них остаются лишь "голые" атомные ядра. Более тяжелые элементы сохраняют самые глубокие электронные оболочки, переходя в состояние высокой степени ионизации.
Итак, корональный газ - это высокоионизованная плазма; она состоит из множества положительно заряженных ионов всевозможных химических элементов и чуть большего количества свободных электронов, возникающих при ионизации атомов водорода (по одному электрону), гелия (по два электрона) и более тяжелых атомов. Поскольку в таком газе основную роль играют подвижные электроны, его часто называют электронным газом, хотя при этом подразумевается наличие такого количества положительных ионов, которое полностью обеспечивало бы нейтральность плазмы в целом.
Белый цвет короны объясняется рассеиванием обычного солнечного света на свободных электронах. Они не вкладывают своей энергии при рассеивании: колеблясь в такт световой волны, они лишь изменяют направление рассеиваемого света, при этом поляризуя его. Таинственные яркие линии в спектре порождены необячным излучением высокоионизированных атомов железа, аргона, никеля, кальция и других элементов, возникающим только в условиях сильного разрежения. Наконец, линии поглощения во внешней короне вызваны рассеиванием на пылевых частицах, которые постоянно присутствуют в межзвездной среде. А отсутствие линии во внутренней короне связано с тем, что при рассеянии на очень быстро движущихся электронах все световые кванты испытывают столь значительные изменения частот, что даже сильные фраунгоферовы линии солнечного спектра полностью "замываются".
Итак, корона Солнца - самая внешняя часть его атмосферы, самая разреженная и самая горячая. Добавим, что она и самая близкая к нам: оказывается, она простирается далеко от Солнца в виде постоянно движущегося от него потокак плазмы - солнечного ветра. Вблизи Земли его скорость составляет в среднем 400-500 км/с, а порой достигает почти 1000 км/с. Распространяясь далеко за пределы орбит Юпитера и Сатурна, солнечный ветер образует гигантсткую гелиосферу, границащую с еще более разреженной межзвездной средой.
Фактически мы живем окруженные солнечной короной, хотя и защищенные от ее проникающей радиации надежным барьером в виде земного магнитного поля. Через корону солнечная активность влияет на многие процессы, происходящие на Земле (геофизические явления).
Как Солнце влияет на Землю

Солнце освещает и согревает нашу планету, без этого была бы невозможна жизнь на ней не только человека, но даже микроорганизмов. Солнце - главный (хотя и не единственный) двигатель происходящих на Земле процессов. Но не только тепло и свет получает Земля от Солнца. Различные виды солнечного излучения и потоки частиц оказывают постоянное влияние на ее жизнь.
Солнце посылает на Землю электромагнитные волны всех областей спектра - от многокилометровых радиоволн до гамма-лучей. Окрестностей Земли достигают также заряженные частицы разных энергий - как высоких, так и низких и средних. Наконец, Солнце испускает мощный поток элементарных частиц - нейтрино. Однако воздействие последних на земные процессы пренебрежительно мало: для этих частиц земной шар прозрачен, и они свободно сквозь него пролетают. Только очень малая часть заряженных частиц из межпланетного пространства попадает в атмосферу Земли (остальные отклоняет или задерживает геомагнитное поле). Но их энергии достаточно для того, чтобы вызвать полярные сияния и возмущения магнитного поля нашей планеты.
Электромагинтное возмущение подвергается строгому отбору в земной атмосфере. Она прозрачна только для видимого света и ближайших ультрафиолетового и инфракрасного излучения, а также для радиоволн в сравнительно узком диапазоне (от сантиметровых до метровых). Все остальное излучение либо отражается, либо поглощается атмосферой, нагревая и ионизуя ее верхние слои.
Поглощение рентгеновских и жестких ультрафиолетовых лучей начинается на вымотах 300-350 км; на этих же высотах отражаются наиболее длинные радиоволны, приходящие из космоса. При сильных всплесках солнечного рентгеновского излучения от хромосферных вспышек рентгеновские кванты проникают до высот 80-100 км от поверхности Земли, ионизуют атмосферу и вызывают нарушение связи на коротких волнах.

Темные, зловещего вида области в левой части солнечного диска - это так называемые корональные дыры. Эти области, располагающиеся над поверхностью, где силовые линии солнечного магнитного поля уходят в межпланетное пространство, характеризуются пониженным давлением. Корональные дыры начали интенсивно изучать со спутников начиная с 1960-х годов в ультрафиолетовом и рентгеновском свете. Известно, что они являются источниками интенсивного солнечного ветра, который состоит из атомов и электронов, улетающих от Солнца вдоль разомкнутых силовых линий магнитного поля.

НАШЕ СОЛНЦЕ

Мягкое (длинноволновое) ультрафиолетовое излучение способно проникать еще глубже, оно поглощается на высоте 30-35 км. Здесь ультрафиолетовые кванты разбивают на атомы молекулы кислорода с последующим образованием озона. Тем самым создается не прозрачный для ультрафиолета "озоновый экран", предохраняющий жизнь на Земле от гибельных лучей. Не поглотившаяся часть наиболее длинноволнового ультрафиолетового излучения доходит до земной поверхнсти. Именно эти лучи вызывают у людей загар.
Излучение в видимом диапазоне поглощается слабо. Однако оно рассеивается атмосферой даже в отсутствие облаков, и часть его возвращается в межпланетное пространство. Облака, состоящие из капелек воды и твердых частиц, значительно усиливают отражение солнечного излучения. В результате до поверхности планеты доходит в среднем около половины падающего на границу земной атмосферы света.
Количество солнечной энергии, приходящейся на поверхность площадью 1 кв метр, развернутую перпендикулярно солнечным лучам на границе земной атмосферы, называется солнечной постоянной. Измерять ее с Земли очень трудно, и потому значения, найденные до начала космических исследований, были весьма приблизительными. Небольшие колебания (если они реально существовали) заведомо "тонули" в неточности измерений. Лишь выполнение специальной космической программы по определению солнечной постоянной позволило найти ее надежное значение. По последним данным, оно составляет 1370 Вт/м 2 с точностью до 0,5%. Колебаний, превышающих 0,2%, за время измерений не выявлено.
На Земле излучение поглощается сушей и океаном. Нагретая земная поверхность в свою очередь излучает в длинноволновой инфракрасной области. Для такого излучения азот и кислород атмосферы прозрачны. Зато оно жадно поглощается водяным паром и углекислым газом. Благодаря этим малым составляющим воздушная оболочка удерживает тепло. В этом и заключается парниковый эффект атмосферы. Между приходом солнечной энергии на Землю и ее потерями на планете в общем существует равновесие: сколько поступает, столько и расходуется. В противном случае температура земной поверхности вместе с атмосферой либо постоянно повышалась бы, либо падала.

- все явления солнечной активности связаны с выходом на поверхность Солнца магнитных полей. Уже первые измерения эффекта Зеемана, проведённые в начале 20 в., показали, что поля в пятнах характеризуются напряжённостью порядка нескольких тыс. эрстед, причём такие поля реализуются в областях с диаметром 20 000 км. Современные приборы для измерения полей на Солнце позволяют не только измерять величину поля с точностью до 1 Э, но и судить об углах наклона вектора напряжённости магнитного поля. Выяснено, например, что факелы представляют собой области с полями 5-300 Э. В тени пятен поля достигают 1000-4500 Э. В центре пятна поле направлено вверх, вдоль радиуса Солнца, но к периферии его наклон увеличивается, и в полутени поле уже практически параллельно солнечной поверхности. Поле сосредоточено в отдельных жгутах.

На Солнце очень неспокойно. На этой картинке, представленной в условных цветах, изображена активная область, расположенная на краю диска Солнца. Горячая плазма вырывается из Солнечной фотосферы и движется вдоль линий магнитного поля. Красным отмечены очень горячие области, указывая на то, что по некоторым петлям магнитного поля распространяется более горячее вещество, нежели по другим петлям. Петли магнитного поля очень велики, так что внутри них легко может поместиться Земля.

НАШЕ СОЛНЦЕ

Среднее по солнечной поверхности поле имеет порядок 1 Э, оно состоит, по-видимому, из отдельных ячеек с 10 Э на их границах. Такое поле наблюдается близ полюсов Солнца, тогда как на низких широтах оно часто возмущено сильными полями активных областей. Эти сильные локальные поля возмущают не только фотосферу, но проникают и во внешние слои. В хромосфере над тенью пятен их величина может достигать 1000 Э, над полутенью и факелами 100 Э. Косвенные данные говорят, что поля в короне над активной областью 10-0,1 Э. Т. о., активная область (или центр активности) отождествляется с местом повышенной напряжённости магнитног поля. Нижнее основание активной области - факелы и пятна - располагается в фотосфере. Верхняя часть проявляется как хромосферный факел (флоккул), и в короне - как корональная конденсация.
Чаще всего активные области характеризуются двумя полюсами противоположной полярности - т.н. биполярными центрами, хотя встречаются как мультиполярные, так и униполярные области. Полюса противоположной полярности соединяются системой арок протяжённостью до 30 000 км и высотой до 5000 км. Вершины арок медленно поднимаются, а около полюсов газ стекает вниз, по направлению к фотосфере.
Своеобразно развитие активной области во времени. С усилением магного поля в фотосфере возникает факел, постепенно увеличивающий свою площадь и яркость. Примерно через сутки в нём возникает несколько тёмных точек - пор, развивающихся затем в солнечные пятна. Десятые - одиннадцатые сутки жизни области характеризуются наиболее бурными процессами в хромосфере и короне. При этом размер больших групп пятен достигает 20 гелиографических градусов по долготе и 10 по широте или 2400 км X 12 000 км. Через 1-3 месяца пятна постепенно пропадают, над областью повисает гигантский протуберанец. Через полгода или год данная область исчезает.
Для среднего пятна с полем 3000 Э магнитная энергия по меньшей мере в 10 раз превосходит кинетич. энергию конвективных движений. Но в конвективной ячейке обязательно присутствует горизонтальное перемещение, перпендикулярное направлению поля. Поле препятствует горизонтальному перемещению, в результате чего конвекция в пятнах оказывается значительно ослабленной. Затруднение конвекции приводит к меньшему поступлению энергии в область пятен, поскольку энергия в глубоких слоях переносится конвективными движениями. Вероятно, с этим и связаны более низкая температура и "чернота" пятен.
Наблюдаемые в тени пятен гранулы (с размерами до 300 км и среднем временем жизни 15-30 мин) указывают на наличие сильно видоизменённой конвекции. Она состоит здесь в том, что отдельные элементы горячего газа прорываются в пятнах вдоль поля до фотосферных высот. Там они расширяются, сжимая окружающий газ вместе с полем. Плотный газ опускается, движения газа напоминают перемещения вверх и вниз в тесно расположенных трубах с незначительно изменяющимся поперечным сечением (т. е. с незначительной деформацией силовых линии). Во многих других случаях - при движении газа в протуберанцах, в корональных арках траектории движения газа также совпадают с ходом силовых линий.
Степень влияния поля на строение внешней атмосферы зависит как от величины выходящего на поверхность магнитного потока (1017-1022 Мкс), так и от того, насколько сильно он изменяется с высотой и во времени.

Фотосфера - тот слой солнечной атмосферы, который мы видим в телескоп и воспринимаем глазом как поверхность, имеет темпеpaтypy около 5 800 С. В период минимума солнечной активности поверхность фотосферы относительно спoкойна. Все вихри термoядерных реакций, дающие звезде ее энергию, бушуют глубоко внутри. Но с началом нового цикла энергия всех этих внутренних прoцессов начинает прорываться наружу. Увеличение солнечной активности является симптомом магнитных сдвигов под поверхностью Солнца. В этот период магнитное поле звезды теряет свою полярность. На ее поверхности начинают появляться пятна - относительно холодные области, температура которых не превышает 4 500°С. На фоне более горячей фотoсферы они выглядят как темные. Магнитное поле пятен значительно выше окружающего их пространства. В той области, через которую проходят так называемые "перекрученные" силовые линии поля пятна, иногда возникают ситуации, при кoторых возможно "перезамыкание» магнитных полей. Здесь начинают активно развиваться солнечные вспышки - самое сильное проявление солнечной активности, влияющеё на Землю. Она затрагивают всю толщу солнечной атмосферы. Их развитие сопровождается сложными движениями ионизованного газа, его свечением, ускорением частиц. Энергия большой солнечной вспышки достигает огромной величины, сравнимой с количеством солнечной энергии, получаемой нашей планетой в течение целого года. Это приблизительно в 100 раз больше всей тепловой энергии, которую можно было бы получить при сжигании всех разведанных запасов нефти, газа и угля. Сильные вспышки - весьма редкое явление, при кoтором энергия выделяется в верхней хромосфере или нижней короне, генерируя кратковременное электромагнитное излучение в дoвольно широком диапазоне длин волн - от жесткого рентгеновского излучения до радиоволн. Основная ее часть выделяется в виде кинетической энергии частиц, движущихся в короне и межпланетном пространстве со скоростями до 1000 км/с, и энергии жесткого электромагнитного излучения. Вещество выбрасывается с поверхности Солнца со скоростью от 20 до 2 000 км/сек. Его масса оценивается в миллиарды тонн. А его энергия, распространяясь в космосе, менее чем за 4 минуты достигает Земли. Поток корпускулярных частиц, испускаемых Солнцем, со скоростью около 500 км/сек врезается в магнитное поле Земли, вызывая в нем возмущения и влияя на происходящие на нашей планете процессы.

Строение Солнца

1 – ядро, 2 – зона лучистого равновесия, 3 – конвективная зона, 4 – фотосфера, 5 – хромосфера, 6 – корона, 7 – пятна, 8 – грануляция, 9 – протуберанец

Внутреннее строение Солнца. Ядро

Центральная часть Солнца с радиусом около 150 000 км (0,2 – 0,25 радиуса Солнца), в которой происходят термоядерные реакции, называется солнечным ядром.

Плотность вещества в ядре составляет примерно 150 000 кг/м³ (в 150 раз выше плотности воды и в ~6,6 раз выше плотности самого тяжёлого металла на Земл - иридия), а температура в центре ядра - более 14 млн. К.

Т.к. наибольшие температуры и плотности должны быть в центральных частях Солнца, ядерные реакции и сопровождающее их энерговыделение наиболее интенсивно происходят вблизи самого центра Солнца. В ядре наряду с протон-протонной реакцией заметную роль играет углеродный цикл.

В результате только протон-протонной реакции каждую секунду в энергию превращаются 4,26 млн. тонн вещества, однако эта величина ничтожна по сравнению с массой Солнца - 2·1027 тонн. Внутреннее строение Солнца.

Зона лучистого равновесия

По мере удаления от центра Солнца температура и плотность становятся меньше, выделение энергии за счёт углеродного цикла быстро прекращается, и вплоть до расстояния 0,2–0,3 радиуса температура становиться меньше 5 млн. К, также существенно падает плотность. В результате ядерные реакции здесь практически не происходят. Эти слои только передают наружу излучение, возникшее на большей глубине.

Существенно, что вместо каждого поглощенного кванта большой энергии частицы, как правило, излучают несколько квантов меньших энергий в результате последовательных каскадных переходов. Поэтому вместо γ-квантов возникают рентгеновские, вместо рентгеновских - УФ, которые, в свою очередь, уже в наружных слоях «дробятся» на кванты видимого и теплового излучения, окончательно испускаемого Солнцем.

Та часть Солнца, в которой выделение энергии за счет ядерных реакций несущественно и происходит процесс переноса энергии только путём поглощения излучения и последующего переизлучения, называется зоной лучистого равновесия. Она занимает область примерно от 0,3 до 0,7 радиуса Солнца.

Конвективная зона

Выше уровня лучистого равновесия в переносе энергии начинает принимать участие само вещество.

Непосредственно под наблюдаемыми внешними слоями Солнца, на протяжении около 0,3 его радиуса, образуется конвективная зона, в которой энергия переносится конвекцией.

В конвективной зоне возникает вихревое перемешивание плазмы. По современным данным, роль конвективной зоны в физике солнечных процессов исключительно велика, так как именно в ней зарождаются разнообразные движения солнечного вещества и магнитные поля.

Строение атмосферы Солнца. Фотосфера

Самые внешние слои Солнца (атмосферу Солнца) принято разделять на фотосферу, хромосферу и корону.

Фотосферой называется та часть солнечной атмосферы, в которой образуется видимое излучение, имеющее непрерывный спектр. Т.о., в фотосфере излучается практически вся приходящая к нам солнечная энергия. Фотосфера видна при непосредственном наблюдении Солнца в белом свете в виде кажущейся его «поверхности».

Толщина фотосферы, т.е. протяжённость слоёв, откуда приходит более 90% излучения в видимом диапазоне, менее 200 км, т.е. около 3·10–4R . Как показывают расчёты, при наблюдении по касательной к таким слоям их видимая толщина уменьшается в несколько раз, вследствие чего вблизи самого края солнечного диска (лимба) наиболее быстрое падение яркости происходит на протяжении менее 10–4R . По этой причине край Солнца кажется исключительно резким. Концентрация частиц в фотосфере составляет 1016–1017 в 1 см3 (в обычных условиях в 1 см3 земной атмосферы содержится 2,7·1019 молекул). Давление в фотосфере около 0,1 атм., а температура фотосферы составляет 5 000 – 7 000 К.

В таких условиях атомы с потенциалами ионизации в несколько вольт (Na, K, Ca) ионизуются. Остальные элементы, в том числе и водород, остаются преимущественно в нейтральном состоянии.

Фотосфера - единственная на Солнце область нейтрального водорода. Однако в результате незначительной ионизации водорода и практически полной ионизации металлов в ней все же имеются свободные электроны. Эти электроны играют исключительно важную роль: соединяясь с нейтральными атомами водорода, они образуют отрицательные ионы водорода Н -

Отрицательные ионы водорода образуются в ничтожном количестве: из 100 млн. водородных атомов в среднем только один превращается в отрицательный ион.

Ионы Н– обладают свойством необычайно сильно поглощать излучение, особенно в ИК и видимой областях спектра. Поэтому, несмотря на свою ничтожную концентрацию, отрицательные ионы водорода являются основной причиной, определяющей поглощение фотосферным веществом излучения в видимой области спектра. Связь второго электрона с атомом очень слабая, и поэтому даже фотоны ИК-диапазона могут разрушить отрицательный ион водорода.

Излучение же происходит при захвате электронов нейтральными атомами. Образующиеся при захвате

фотоны и определяют свечение фотосфер Солнца и звёзд, близких к нему по температуре. Т.о., желтоватый

свет Солнца, который принято называть «белым», возникает при присоединении к атому водорода ещё одного электрона.

Сродство к электрону нейтрального атома H составляет 0,75 эВ. При присоединении к атому Н электрона (е ) с энергией, большей чем 0,75 эВ, её избыток уносится электромагнитным излучением e + H → H– + ħ ω, значительная часть которого попадает в видимый диапазон.

Наблюдения фотосферы позволяют обнаружить её тонкую структуру, напоминающую тесно расположенные кучевые облака. Светлые округлые образования называются гранулами, а вся структура - грануляцией. Угловые размеры гранул в среднем составляют не более 1" дуги, что соответствует 725 км на Солнце. Каждая отдельная гранула существует в среднем 5–10 минут, после чего она распадается, а на её месте возникают

Гранулы окружены темными промежутками, образующими как бы ячейки или соты. Спектральные линии в гранулах и в промежутках между ними смещены соответственно в синюю и красную сторону. Это означает, что в гранулах вещество поднимается, а вокруг них опускается. Скорость этих движений составляет 1–2 км/с.

Грануляция - наблюдаемое в фотосфере проявление конвективной зоны, расположенной под фотосферой. В конвективной зоне происходит активное перемешивание вещества в результате подъема и опускания отдельных масс газа (элементов конвекции). Пройдя путь, примерно равный своим размерам, они как бы растворяются в окружающей среде, порождая новые неоднородности. В наружных, более холодных слоях,

размеры этих неоднородностей меньше

Хромосфера

В наружных слоях фотосферы, где плотность уменьшается до значения 3×10-8 г/см3, температура достигает значений ниже 4 200 К. Это значение температуры оказывается минимальным для всей солнечной атмосферы. В более высоких слоях температура снова начинает возрастать. Сначала происходит медленное возрастание температуры до нескольких десятков тысяч кельвинов, сопровождающееся ионизацией водорода, а затем и гелия. Эта часть солнечной атмосферы называется хромосферой.

Причиной такого сильного разогрева самых внешних слоев солнечной атмосферы является энергия акустических (звуковых) волн, которые, возникают в фотосфере в результате движения элементов конвекции.

В самых верхних слоях конвективной зоны, непосредственно под фотосферой, конвективные движения резко тормозятся и конвекция внезапно прекращается. Т.о., фотосфера снизу постоянно как бы «бомбардируется» конвективными элементами. От этих ударов в ней возникают возмущения, наблюдаемые в виде гранул, а сама она приходит в колебательное движение с периодом, соответствующим частоте собственных колебаний фотосферы (около 5 минут). Эти колебания и возмущения, возникающие в фотосфере, порождают в ней волны, по своей природе близкие к звуковым волнам в воздухе. При распространении вверх, т.е. в слои с меньшей плотностью, эти волны увеличивают свою амплитуду до нескольких километров и превращаются в

ударные волны.

Протяжённость хромосферы составляет несколько тысяч км. Хромосфера имеет эмиссионный спектр, состоящий из ярких линий. Этот спектр очень похож на спектр Солнца, в котором все линии поглощения заменены на линии излучения, а непрерывный спектр почти отсутствует. Однако в спектре хромосферы линии ионизованных элементов сильнее, чем в спектре фотосферы. В частности, в спектре хромосферы очень сильны линии гелия, в то время как в фраунгоферовом спектре они практически не видны. Эти особенности спектра подтверждают рост температуры в хромосфере.

При изучении изображений хромосферы прежде всего обращает на себя внимание её неоднородная структура, значительно резче выраженная, чем грануляция в фотосфере.

Наиболее мелкие структурные образования в хромосфере называются спикулами. Они имеют продолговатую форму, причем вытянуты преимущественно в радиальном направлении. Длина их составляет несколько тысяч км, а толщина - около 1 000 км. Со скоростями в несколько десятков км/с спикулы поднимаются из хромосферы в корону и растворяются в ней.

Через спикулы происходит обмен вещества хромосферы с вышележащей короной.

На Солнце одновременно существуют сотни тысяч спикул.

Спикулы в свою очередь образуют более крупную структуру, называемую хромосферной сеткой, порожденную волновыми движениями, вызванными значительно большими и более глубокими элементами

подфотосферной конвективной зоны, чем гранулы.

Хромосферная сетка лучше всего видна на изображениях в сильных линиях в далёкой УФ области спектра,

например, в резонансной линии 304 Å ионизированного гелия.

Хромосферная сетка состоит из отдельных ячеек размером от 30 до 60 тыс. км.

Корона

В верхних слоях хромосферы, где плотность газа составляет всего 10–15 г/см3, происходит еще одно необычайно резкое увеличение температуры, примерно до миллиона кельвинов. Здесь начинается самая внешняя и наиболее разреженная часть атмосферы Солнца, называемая солнечной короной.

Яркость солнечной короны в миллион раз меньше, чем фотосферы, и не превышает яркости Луны в полнолуние. Поэтому наблюдать солнечную корону можно во время полной фазы солнечных затмений, а вне затмений - с помощью специальных телескопов (коронографов), в которых устраивается искусственное затмение Солнца.

Корона не имеет резких очертаний и обладает неправильной формой, сильно меняющейся со временем. Об этом можно судить, сопоставляя её изображения, полученные во время различных затмений. Наиболее яркую часть короны, удалённую от лимба не более, чем на 0,2-0,3 радиуса Солнца, принято называть внутренней короной, а остальную, весьма протяженную часть, - внешней короной. Важной особенностью короны является её лучистая структура. Лучи бывают различной длины вплоть до десятка и более солнечных радиусов. У основания лучи обычно утолщаются, некоторые из них изгибаются в сторону соседних.

Спектр короны обладает рядом важных особенностей. Основой его является слабый непрерывный фон с распределением энергии, повторяющим распределение энергии в непрерывном спектре Солнца. На фоне этого

непрерывного спектра во внутренней короне наблюдаются яркие эмиссионные линии, интенсивность которых уменьшается по мере удаления от Солнца. Большинство из этих линий не удается получить в лабораторных спектрах. Во внешней короне наблюдаются фраунгоферовы линии солнечного спектра, отличающиеся от фотосферных относительно большей остаточной интенсивностью.

Излучение короны поляризовано, причем на расстоянии около 0,5 R от края Солнца поляризация увеличивается примерно до 50%, а на больших расстояниях - снова уменьшается.__

Излучение короны является рассеянным светом фотосферы, а поляризованность этого излучения позволяет установить природу частиц, на которых происходит рассеяние – это свободные электроны.

Появление этих свободных электронов может быть вызвано только ионизацией вещества. Однако в целом ионизованный газ (плазма) должен быть нейтрален. Следовательно, концентрация ионов в короне также должна соответствовать концентрации электронов.

Эмиссионные линии солнечной короны принадлежат обычным химическим элементам, но находящимся в очень высоких стадиях ионизации. Наиболее интенсивная - зеленая корональная линия с длиной волны 5303 Å - испускается ионом Fe XIV, т.е. атомом железа, лишенным 13 электронов. Другая интенсивная - красная корональная линия (6 374 Å) - принадлежит атомам девятикратно ионизованного железа Fe X. Остальные эмиссионные линии отождествлены с ионами Fe XI, Fe XIII, Ni XIII, Ni XV, Ni XVI, Са XII, Са XV, Ar X и др.

Т.о., солнечная корона представляет собой разреженную плазму с температурой около миллиона кельвинов.

Зодиакальный свет и противосияние

Свечение, аналогичное «ложной короне», можно наблюдать и на больших расстояниях от Солнца в

виде зодиакального света.

Зодиакальный свет наблюдается в тёмные безлунные ночи весной и осенью в южных широтах вскоре

после захода или незадолго перед восходом Солнца. В это время эклиптика высоко поднимается над горизонтом, и становится заметной проходящая вдоль неё светлая полоса. По мере приближения к Солнцу, находящемуся под горизонтом, свечение усиливается, а полоса расширяется, образуя треугольник. Яркость его постепенно падает с увеличением расстояния от Солнца.

В области неба, противоположной Солнцу, яркость зодиакального света слегка возрастает, образуя эллиптическое туманное пятно диаметром около 10º, которое называется противосиянием. Противосияние

обусловлено отражением солнечного света от космической пыли.

Солнечный ветер

Солнечная корона имеет динамическое продолжение далеко за орбиту Земли до расстояний порядка 100 а.е.

Из солнечной короны происходит постоянное истекание плазмы со скоростью, постепенно увеличивающейся по мере удаления от Солнца. Это расширение солнечной короны в межпланетное пространство называется солнечным ветром.

Из-за солнечного ветра Солнце теряет ежесекундно около 1 млн. Тонн вещества. Солнечный ветер состоит в основном из электронов, протонов и ядер гелия (альфа-частиц); ядра других элементов и нейтральных частиц содержатся в очень незначительном количестве.

Часто путают солнечный ветер (поток частиц – протонов, электронов и т.п.) с эффектом давления солнечного света (поток фотонов). Давление солнечного света в настоящее время в несколько тысяч раз превышает давление солнечного ветра. Хвосты комет, всегда направленные в противоположную сторону от Солнца, также образуются за счёт давления света, а не за счёт солнечного ветра.

38. Активные образования в солнечной атмосфере: пятна, факелы, флоккулы, хромосферные вспышки, протуберанцы. Цикличность солнечной активности.

Активные образования в солнечной атмосфере

Временами в солнечной атмосфере возникают быстро меняющиеся активные образования, резко отличающиеся от окружающих невозмущенных областей, свойства и структура которых совсем или почти совсем не меняются со временем. В фотосфере, хромосфере и короне проявления солнечной активности весьма различны. Однако все они связаны общей причиной. Такой причиной является магнитное поле, всегда

присутствующее в активных областях.

Происхождение и причина изменений магнитных полей на Солнце до конца не выяснены. Магнитные поля могут быть сконцентрированы в каком-либо слое Солнца (например, у о снования конвективной зоны), а периодические усиления магнитных полей могут быть обусловлены дополнительными возбуждениями токов в солнечной плазме.

Наиболее распространёнными проявлениями солнечной активности являются пятна, факелы, флоккулы, протуберанцы.

Солнечные пятна

Наиболее известным проявлением солнечной активности являются солнечные пятна, возникающие, как правило, целыми группами.

Солнечное пятно появляется в виде крошечной поры, едва отличающейся от тёмных промежутков между гранулами. Через день пора развивается в круглое тёмное пятно с резкой границей, диаметр которого постепенно увеличивается вплоть до размеров в несколько десятков тысяч км. Это явление сопровождается плавным увеличением напряжённости магнитного поля, которое в центре крупных пятен достигает нескольких тысяч эрстед. Величину магнитного поля определяют по зеемановскому расщеплению спектральных линий.

Иногда возникает несколько мелких пятен в пределах небольшой области, вытянутой параллельно экватору, - группа пятен. Отдельные пятна преимущественно появляются на западном и восточном краях области, где сильнее других развиваются дна пятна - ведущее (западное) и хвостовое (восточное). Магнитные поля обоих главных пятен и примыкающих к ним мелких всегда обладают противоположной полярностью, и поэтому такую группу пятен называют биполярной

Через 3-4 дня после появления больших пятен вокруг них возникает менее тёмная полутень, имеющая характерную радиальную структуру. Полутень окружает центральную часть пятна, называемую тенью.

С течением времени площадь, занимаемая группой пятен, постепенно возрастает, достигая наибольшей

величины примерно на десятый день. После этого пятна начинают постепенно уменьшаться и исчезать, сначала наиболее мелкие из них, затем хвостовое (предварительно распавшись на несколько пятен), наконец, ведущее.

В целом весь этот процесс длится около двух месяцев, однако многие группы солнечных пятен не успевают

пройти всех описанных стадий и исчезают раньше.

Центральная часть пятна только кажется чёрной из-за большой яркости фотосферы. На самом деле, в центре

пятна яркость меньше только на порядок, а яркость полутени составляет примерно 3/4 от яркости фотосферы. На основании закона Стефана - Больцмана это означает, что температура в пятне на 2–2,5 тыс. К меньше, чем в фотосфере.

Понижение температуры в пятне объясняется влиянием магнитного поля на конвекцию. Сильное магнитное поле тормозит движения вещества, происходящие поперек силовых линий. Поэтому в конвективной зоне под пятном ослабляется циркуляция газов, которая переносит из глубины наружу существенную часть энергии. В результате температура пятна оказывается меньше, чем в невозмущенной фотосфере.

Большая концентрация магнитного поля в тени ведущего и хвостового пятна наводит на мысль, что основная часть магнитного потока активной области на Солнце заключена в гигантской трубке силовых линий, выходящих из тени пятна северной полярности и входящей обратно в пятно южной полярности.

Однако из-за большой проводимости солнечной плазмы и явления самоиндукции магнитные поля напряжённостью в несколько тысяч эрстед не могут ни возникнуть, ни исчезнуть за несколько дней, соответствующих времени появления и распада группы пятен.

Т.о., можно предположить, что магнитные трубки находятся где-то в конвективной зоне, а возникновение групп солнечных пятен связано с всплыванием таких трубок.

Факелы

В невозмущенных областях фотосферы имеется лишь общее магнитное поле Солнца, напряженность которого составляет около 1 Э. В активных областях напряженность магнитного поля увеличивается в сотни и даже тысячи раз.

Небольшое усиление магнитного поля до десятков и сотен Э сопровождается появлением в фотосфере более яркой области, называемой факелом. В общей сложности факелы могут занимать значительную долю всей видимой поверхности Солнца. Они отличаются характерной тонкой структурой и состоят из многочисленных прожилок, ярких точек и узелков - факельных гранул.

Лучше всего факелы видны на краю солнечного диска (здесь их контраст с фотосферой составляет около 10%), в то время как в центре они почти совсем не видны. Это означает, что на некотором уровне в фотосфере факел горячее соседней невозмущенной области на 200–300 К и в целом слегка выступает над уровнем

невозмущённой фотосферы.

Возникновение факела связано с важным свойством магнитного поля - препятствовать движению ионизованного вещества, происходящему поперек силовых линий. Если магнитное поле обладает достаточно большой энергией, то оно «допускает» движение вещества только вдоль силовых линий.

Слабое магнитное поле в области факела не может остановить сравнительно мощных конвективных движений. Однако оно может придать им более правильный характер. Обычно каждый элемент конвекции, помимо общего подъема или опускания по вертикали, совершает небольшие беспорядочные движения в горизонтальной плоскости. Эти движения, приводящие к возникновению трения между отдельными элементами конвекции, тормозятся магнитным полем, имеющимся в области факела, что облегчает конвекцию и позволяет горячим газам подняться на большую высоту и перенести больший поток энергии. Т.о., появление факела связано с усилением конвекции, вызванным слабым магнитным полем.

Факелы - относительно устойчивые образования. Они без особых изменений могут существовать в течение нескольких недель и даже месяцев.

Флоккулы

Хромосфера над пятнами и факелами увеличивает свою яркость, причем контраст между возмущённой и невозмущённой хромосферой растет с высотой. Эти более яркие области хромосферы называются флоккулами. Увеличение яркости флоккула по сравнению с окружающей невозмущенной хромосферой не дает оснований для определения его температуры, так как в разряженной и весьма прозрачной для непрерывного спектра хромосфере связь между температурой и излучением не подчиняется законам Планка и Стефана–Больцмана.

Повышение яркости флоккула в центральных частях можно объяснить увеличением плотности вещества в хромосфере в 3–5 раза при почти неизменном значении температуры, или при слабом ее увеличении. Солнечные вспышки

В хромосфере и короне, чаще всего в небольшой области между развивающимися пятнами, особенно вблизи границы раздела полярности сильных магнитных полей, наблюдаются самые мощные и быстро развивающиеся проявления солнечной активности, называемые солнечными вспышками.

В начале вспышки яркость одного из светлых узелков флоккула внезапно подрастает. Часто менее, чем за минуту сильное излучение распространяется вдоль длинного жгута или заливает целую область протяженностью в десятки тысяч км.

В видимой области спектра усиление свечения происходит главным образом в спектральных линиях водорода, ионизованного кальция и других металлов. Уровень непрерывного спектра также возрастает, иногда настолько сильно, что вспышка становится заметной в белом свете на фоне фотосферы. Одновременно с видимым излучением сильно возрастает интенсивность УФ и рентгеновского излучения, а также мощность солнечного радиоизлучения.

Во время вспышек наблюдаются самые коротковолновые (т.е. наиболее «жёсткие») рентгеновские спектральные линии и даже в некоторых случаях γ-излучение. Всплеск всех этих видов излучения происходит за несколько минут. После достижения максимума уровень излучения постепенно ослабевает в течение нескольких десятков минут.

Все перечисленные явления объясняются выделением большого количества энергии неустойчивой плазмы, находящейся в области очень неоднородного магнитного поля. В результате взаимодействия магнитного поля и плазмы значительная часть энергии магнитного поля переходит в тепло, нагревая газ до температуры в десятки миллионов кельвинов, а также идет на ускорение облаков плазмы.

Одновременно с ускорением макроскопических облаков плазмы относительные движения плазмы и магнитных полей приводят к ускорению отдельных частиц до высоких энергий: электронов до десятков кэВ и протонов до десятков МэВ.

Поток таких солнечных частиц оказывает существенное воздействие на верхние слои атмосферы Земли и её магнитное поле.

Протуберанцы

Активными образованиями, наблюдаемыми в короне, являются протуберанцы. По сравнению с окружающей их плазмой это более плотные и «холодные» облака, светящиеся примерно в тех же спектральных линиях, что и хромосфера.

Протуберанцы бывают весьма различных форм и размеров. Чаще всего это длинные, очень плоские образования, расположенные почти перпендикулярно к поверхности Солнца. Поэтому в проекции на солнечный диск протуберанцы выглядят в виде изогнутых волокон.

Протуберанцы - наиболее грандиозные образования в солнечной атмосфере, их длина достигает сотен тысяч км, хотя ширина не превышает 6 000–10 000 км. Нижние их части сливаются с хромосферой, а верхние простираются на десятки тысяч км. Однако встречаются протуберанцы и значительно больших размеров.

Через протуберанцы постоянно происходит обмен вещества хромосферы и короны. Об этом свидетельствуют часто наблюдаемые движения как самих протуберанцев, так и отдельных их частей, происходящие со скоростями в десятки и сотни км/с.

Возникновение, развитие и движение протуберанцев тесно связано с эволюцией групп солнечных пятен. На первых стадиях развития активной области пятен образуются короткоживущие и быстро меняющиеся

протуберанцы вблизи пятен. На более поздних стадиях возникают устойчивые спокойные протуберанцы, существующие без заметных изменений в течение нескольких недель, и даже месяцев, после чего внезапно может наступить стадия активизации протуберанца, проявляющаяся в возникновении сильных движений, выбросов вещества в корону и появлении быстро движущихся эруптивных протуберанцев.

Эруптивные, или изверженные – по виду напоминают громадные фонтаны, достигающие высот до 1,7 млн. км над поверхностью Солнца. Движения сгустков вещества в них происходят быстро; извергаются со скоростями в сотни км/с и довольно быстро изменяют свои очертания. При увеличении высоты протуберанец слабеет и рассеивается. В некоторых протуберанцах наблюдались резкие изменения скорости движения отдельных сгустков. Эруптивные протуберанцы непродолжительны.

Солнечная активность

Все рассмотренные активные образования в солнечной атмосфере тесно связаны между собой.

Возникновение факелов и флоккулов всегда предшествует появлению пятен.

Вспышки возникают во время наиболее быстрого роста группы пятен или в результате происходящих в них сильных изменений.

В это же время возникают протуберанцы, которые часто продолжают долгое время существовать после распада активной области.

Совокупность всех проявлений солнечной активности, связанных с данным участком атмосферы и развивающихся в течение определенного времени, называется центром солнечной активности.

Количество пятен и других связанных с ними проявлений солнечной активности периодически меняется. Эпоха, когда количество центров активности наибольшее, называется максимумом солнечной активности, а когда их совсем или почти совсем нет, - минимумом.

В качестве меры степени солнечной активности пользуются т.н. числами Вольфа, пропорциональными сумме общего числа пятен f и удесятеренного числа их групп g : W = k (f + 10g ).

Коэффициент пропорциональности k зависит от мощности применяемого инструмента. Обычно числа Вольфа усредняют (например, по месяцам или годам) и строят график зависимости солнечной активности от

Кривая солнечной активности демонстрирует, что максимумы и минимумы чередуются в среднем через каждые 11 лет, хотя промежутки времени между отдельными последовательными максимумами могут

колебаться в пределах от 7 до 17 лет.

В эпоху минимума в течение некоторого времени пятен на Солнце, как правило, совсем нет. Затем они начинают появляться далеко от экватора, примерно на широтах ±35°. В дальнейшем зона пятнообразования постепенно спускается к экватору. Однако в областях, удаленных от экватора меньше чем на 8°, пятна бывают очень редко.

Важной особенностью цикла солнечной активности является закон изменения магнитной полярности пятен. В течение каждого 11-летнего цикла все ведущие пятна биполярных групп имеют некоторую полярность в северном полушарии и противоположную в южном. То же самое справедливо для хвостовых пятен, у которых полярность всегда противоположна полярности ведущего пятна. В следующем цикле полярность ведущих и хвостовых пятен меняется на противоположную. Одновременно с этим меняется полярность и общего магнитного поля Солнца, полюсы которого находятся вблизи полюсов вращения.

Одиннадцатилетней цикличностью обладают и многие другие характеристики: доля площади Солнца, занятая факелами и флоккулами, частота вспышек, количество протуберанцев, а также форма короны и

мощность солнечного ветра.

Цикличность солнечной активности – одна из важнейших проблем современной физики Солнца, до конца ещё не решённая.

Когда мы наблюдаем солнечный летний пейзаж, нам кажется, что вся картина будто залита светом. Однако если посмотреть на солнце при помощи специальных приборов, то мы обнаружим, что вся поверхность его напоминает гигантское море, где бушуют огненные волны и перемещаются пятна. Каковы же основные составляющие солнечной атмосферы? Какие процессы происходят внутри нашей звезды и какие вещества входят в ее состав?

Общие данные

Солнце - это небесное тело, являющееся звездой, причем единственной в Солнечной системе. Вокруг него вращаются планеты, астероиды, спутники и другие космические объекты. Химический состав Солнца примерно одинаков в любой его точке. Однако он существенно изменяется по мере приближения к центру звезды, где находится его ядро. Ученые обнаружили, что солнечная атмосфера делится на несколько слоев.

Какие химические элементы входят в состав Солнца

Не всегда человечество располагало теми данными о Солнце, которые сегодня имеет наука. Когда-то сторонники религиозного мировоззрения утверждали, что мир невозможно познать. И в качестве подтверждения своих идей они приводили тот факт, что человеку не дано узнать, каков химический состав Солнца. Однако прогресс в науке убедительно доказал ошибочность таких взглядов. Особенно продвинулись ученые в деле исследования звезды после изобретения спектроскопа. Химический состав Солнца и звезд ученые изучают при помощи спектрального анализа. Так, они выяснили, что состав нашей звезды весьма разнообразен. В 1942 году исследователи обнаружили, что на Солнце присутствует даже золото, хотя его и не так много.

Другие вещества

Главным образом в химический состав Солнца входят такие элементы, как водород и гелий. Их преобладание характеризует газообразную природу нашей звезды. Содержание других элементов, например, магния, кислорода, азота, железа, кальция незначительно.

При помощи спектрального анализа исследователи выяснили, каких веществ точно нет на поверхности этой звезды. Например, хлора, ртути и бора. Однако ученые предполагают, что эти вещества, помимо основных химических элементов, входящих в состав Солнца, могут находиться в его ядре. Практически на 42% наша звезда состоит из водорода. Примерно 23% приходится на все металлы, которые есть в составе Солнца.

Как и большинство параметров других небесных тел, характеристики нашей звезды рассчитываются лишь теоретически при помощи вычислительной техники. В качестве исходных данных служат такие показатели, как радиус звезды, масса и ее температура. В настоящее время ученые определили, что химический состав Солнца представлен 69 элементами. Большую роль в этих исследованиях играет спектральный анализ. Например, благодаря ему был установлен состав атмосферы нашей звезды. Также была обнаружена интересная закономерность: набор химических элементов в составе Солнца удивительно похож на состав каменных метеоритов. Этот факт - важное свидетельство в пользу того, что эти небесные тела имеют общее происхождение.

Огненный венец

Представляет собой слой сильно разреженной плазмы. Температура ее достигает 2 млн кельвинов, а плотность вещества превосходит плотность земной атмосферы в сотни миллионов раз. Здесь атомы не могут быть в нейтральном состоянии, они постоянно сталкиваются и ионизируются. Корона является мощным источником ультрафиолетового излучения. Вся наша планетная система подвержена воздействию солнечного ветра. Его изначальная скорость равна практически 1 тыс км/сек, однако по мере удаления от звезды она постепенно уменьшается. Скорость солнечного ветра у поверхности земли равна приблизительно 400 км/сек.

Общие представления о короне

Солнечный венец иногда называют атмосферой. Однако он является лишь ее внешней частью. Проще всего корону наблюдать во время полного затмения. Тем не менее зарисовать ее будет очень трудно, ведь затмение длится всего лишь несколько минут. Когда же была изобретена фотография, астрономы смогли получить объективное представление о солнечной короне.

Уже после того как были сделаны первые снимки, исследователям удалось обнаружить области, которые связаны с повышенной активностью звезды. Корона Солнца имеет лучистую структуру. Она является не только самой горячей частью его атмосферы, но и по отношению к нашей планете находится ближе всего. Фактически, мы постоянно находимся в ее пределах, ведь солнечный ветер проникает в самые отдаленные уголки солнечной системы. Однако от ее радиационного воздействия мы защищены земной атмосферой.

Ядро, хромосфера и фотосфера

Центральная часть нашей звезды называется ядром. Его радиус равен примерно четверти общего радиуса Солнца. Вещество внутри ядра очень сжато. Ближе к поверхности звезды находится так называемая конвективная зона, где происходит движение вещества, порождающее магнитное поле. Наконец, видимая поверхность Солнца называется фотосферой. Она представляет собой слой толщиной более 300 км. Именно из фотосферы на Землю приходит солнечное излучение. Температура ее достигает приблизительно 4800 кельвинов. Водород здесь сохраняется практически в нейтральном состоянии. Над фотосферой расположена хромосфера. Ее толщина составляет порядка 3 тыс. км. Хотя хромосфера и корона Солнца находятся над фотосферой, четких границ между этими слоями ученые не проводят.

Протуберанцы

Хромосфера имеет очень низкую плотность и по силе излучения уступает солнечной короне. Однако здесь можно наблюдать интересное явление: гигантские языки пламени, высота которых составляет несколько тысяч километров. Они носят название солнечных протуберанцев. Иногда протуберанцы поднимаются на высоту до миллиона километров над поверхностью звезды.

Исследования

Протуберанцам свойственны те же показатели плотности, что и хромосфере. Однако они располагаются непосредственно над ней и окружаются ее разреженными слоями. Впервые в истории астрономии протуберанцы наблюдались исследователем из Франции Пьером Жансеном и его английским коллегой Джозефом Локьером в 1868 г. Их спектр включает в себя несколько ярких линий. Химический состав Солнца и протуберанцев очень схож. Главным образом в нем представлен водород, гелий и кальций, а присутствие других элементов незначительно.

Некоторые протуберанцы, просуществовав определенный промежуток времени без видимых изменений, внезапно взрываются. Их вещество с гигантской скоростью, достигающей нескольких километров в секунду, выбрасывается в близлежащее космическое пространство. Внешний вид хромосферы часто меняется, что свидетельствует о различных процессах, происходящих на поверхности Солнца, в том числе и о движении газов.

В областях звезды с повышенной активностью можно наблюдать не только протуберанцы, но и пятна, а также усиление магнитных полей. Иногда при помощи специальной аппаратуры на Солнце обнаруживаются вспышки особенно плотных газов, температура которых может достигать огромных величин.

Хромосферные вспышки

Иногда радиоизлучение нашей звезды увеличивается в сотни тысяч раз. Такое явление называют хромосферной вспышкой. Оно сопровождается образованием пятен на поверхности Солнца. Сначала вспышки были замечены в виде повышения яркости хромосферы, однако впоследствии оказалось, что они представляют собой целый комплекс различных явлений: резкого повышения радиоизлучения (рентгеновского и гамма-излучения), выброса массы из короны, протонных вспышек.

Делаем выводы

Итак, мы выяснили, что химический состав Солнца представлен большей частью двумя веществами: водородом и гелием. Конечно, есть и другие элементы, но их процент невысок. Кроме того, ученые не обнаружили никаких новых химических веществ, которые бы входили в состав звезды и при этом отсутствовали бы на Земле. В солнечной фотосфере происходит формирование видимого излучения. Оно в свою очередь имеет колоссальное значение для поддержания жизни на нашей планете.

Солнце является раскаленным телом, которое непрерывно испускает Его поверхность окружена облаком газов. Их температура не настолько высока, как у газов внутри звезды, однако и она впечатляет. Спектральный анализ позволяет на расстоянии узнать, каков химический состав Солнца и звезд. А поскольку спектры многих звезд очень похожи на спектры Солнца, это означает, что их состав примерно одинаков.

Сегодня процессы, происходящие на поверхности и внутри главного светила нашей планетарной системы, включая исследование его химического состава, изучаются астрономами в специальных солнечных обсерваториях.

Внешняя газовая оболочка Солнца, его атмосфера, состоит (в направлении от более глубоких слоев наружу) из фотосферы, хромосферы и короны.

Практически все видимое излучение Солнца исходит из очень тонкого слоя, называемого фотосферо й. Толщина фотосферы не превышает 300 км. Вся фотосфера Солнца выглядит как совокупность ярких пятен - гранул , разделенных между собой узкими и менее яркими промежутками. Размер каждой из гранул - около 700 км. Температура гранул выше, чем деталей темных промежутков, примерно на 600 К. Эта система постоянно возникающих и исчезающих гранул в фотосфере называется грануляцией. Самые приметные объекты на Солнце - это темные пятна . Диаметр пятен иногда достигает 200 тыс. км. Совсем маленькие пятна называют порами .

Еще Галилео Галилей в 1610 г. заметил, что расположение пятен меняется. Ученый правильно объяснил это вращением Солнца вокруг своей оси. Систематические наблюдения солнечных пятен показывают, что Солнце вращается в направлении движения планет и скорость вращения Солнца убывает от экватора к полюсам. Период вращения Солнца изменяется от 25 суток на экваторе до 30 суток у полюсов.

Кроме пятен в фотосфере наблюдаются факелы - яркие образования, видимые в белом свете преимущественно вблизи края диска Солнца. Факелы имеют сложную волокнистую структуру, их температура на несколько сотен градусов превышает температуру фотосферы.

Обычно факелы появляются раньше пятен и существуют некоторое время после их исчезновения. Средняя продолжительность их существования - 15 суток, но может достигать почти трех месяцев.

Внешние слои атмосферы Солнца - хромосфера и расположенная выше солнечная корона хорошо видны во время полных солнечных затмений.

Над фотосферой простирается хромосфера Солнца. Общая протяженность хромосферы - 10-15 тыс. км. Температура в хромосфере с высотой не падает, а растет от 4500 К до нескольких десятков тысяч. Излучение хромосферы в сотни раз меньше фотосферного.

На краю солнечного диска хорошо видны протуберанцы - гигантские арки или выступы, как бы опирающиеся на хромосферу.

В хромосфере наблюдаются мощные и быстро развивающиеся процессы, называемые вспышками. Эти яркие образования существуют от нескольких минут до нескольких часов. Обычно солнечные вспышки проходят вблизи быстро развивающихся групп солнечных пятен. Они сопровождаются выбросами вещества.

Вспышки представляют собой взрывные процессы. Мощные вспышки за десять минут высвобождают энергию около 10 23 - 10 25 Дж.

Корона - внешняя разреженная и горячая оболочка Солнца, распространяющаяся от него на несколько солнечных радиусов и имеющая температуру плазмы до миллиона градусов. Яркость солнечной короны в миллион раз меньше, чем фотосферы. Поэтому наблюдать солнечную корону можно во время полных солнечных затмений или с помощью специальных телескопов-коронографов. Внешние слои атмосферы Солнца тянутся вплоть до орбиты Земли.

Совокупность нестационарных процессов, периодически возникающих в солнечной атмосфере, называется солнечной активностью . К таким структурным образованиям относятся пятна, факелы в фотосфере, протуберанцы, вспышки и выбросы вещества в хромосфере и короне. Места, где они возникают, называются активными областями . Все активные образования взаимосвязаны между собой одной общей причиной - изменяющими магнитными полями, всегда присутствующими в активных областях. Количество активных областей на Солнце со временем изменяется. Продолжительность цикла определяется по эпохам минимума солнечной активности. Средняя продолжительность цикла составляет примерно 11 лет.

Как и у любой планеты или звезды, у Солнца имеется своя атмосфера . Под ней подразумевают такие внешние слои, откуда хотя бы часть излучения может беспрепятственно, не поглощаясь вышележащими слоями, уйти в окружающее пространство. Наша звезда целиком состоит из газа. Ее атмосфера начинается на 200-300 км глубже видимого края солнечного диска. Эти самые глубокие слои называют фотосферой . Поскольку их толщина составляет не более одной тысячной доли солнечного радиуса (от 100 до 400 км), фотосферу иногда называют поверхностью Солнца . Плотность газов в фотосфере в сотни раз меньше, чем у поверхности Земли . Температура фотосферы уменьшается от 8000 К на глубине 300 км до 4000 К в самых верхних слоях. Средняя эффективная температура, которая воспринимается Землей, может быть подсчитана из уравнения Стефана-Больцмана и составляет 5778 К. При таких условиях почти все молекулы газа распадаются на отдельные атомы. Лишь в самых верхних слоях сохраняется относительно немного простейших молекул типа H 2, ОН, СН.
Если рассматривать Солнце в телескоп с большим увеличением, то можно наблюдать тонкие слои фотосферы: вся она кажется усыпанной мелкими яркими зернышками - гранулами, разделенными сетью узких темных дорожек. Грануляция является результатом перемешивания более теплых потоков газа и опускающихся более холодных. Конвекция во внешних слоях Солнца играет огромную роль, определяя общую структуру атмосферы. В конечном счете именно конвекция, в результате сложного взаимодействия с солнечными магнитными полями является причиной всех многообразных проявлений солнечной активности.
Фотосфера образует видимую поверхность Солнца, от которой определяются размеры звезды, расстояния от поверхности Солнца до других небесных тел и т. д.

Фотосфера-видимый диск Солнца. На рис. заметна небольшая темная область,

которая называется солнечным пятном. Температура в таких областях намного

ниже, по сравнению с окружающей атмосферой и достигает всего 1500 К.

Фотосфера постепенно переходит в более разряженные внешние солнечные слои атмосферы - хромосферу и корону . Хромосфера названа так за свою красновато-фиолетовую окраску. Невооруженным глазом ее можно разглядеть только в течении нескольких секунд во время полного солнечного затмения (когда Луна полностью закрывает (затмевает) Солнце от наблюдателя на Земле, т.е центры Земли , Луны и Солнца находятся на одной линии). Хромосфера весьма неоднородна и состоит в основном из продолговатых вытянутых язычков (спикул). Температура этих хромосферных струй в два-три раза выше, чем в фотосфере и увеличивается с высотой от 4000 до 15 000 К ., а плотность в сотни тысяч раз меньше. Общая протяжённость хромосферы 10-15 тыс. километров. Рост температуры объяснятся распространением волн и магнитных полей, проникающих в нее из конвективной зоны.

Хромосфера Солнца, наблюдаемая во время полного

солнечного затмения

Хромосферу принято разделять на две зоны:

— нижняя хромосфера — простирается примерно до 1500 км, состоит из нейтрального водорода, в её спектре содержится большое количество слабых спектральных линий;

— верхняя хромосфера — сформирована из отдельных спикул, выбрасываемых из нижней хромосферы на высоту до 10 000 км и разделённых более разреженным газом.

Часто во время затмений (а при помощи специальных спектральных приборов - и не дожидаясь затмений) над поверхностью Солнца можно наблюдать причудливой формы "фонтаны", "облака", "воронки", "кусты", "арки" и прочие ярко светящиеся образования из хромосферного вещества. Время от времени из хромосферы вздымаются струи, облака и арки раскаленного газа, называемые протуберанцами . Во время полного солнечного затмения они видны невооруженным глазом. Одни протуберанцы плавают спокойно, другие со скоростями в несколько сот километров в секунду поднимаются до высоты, достигающей солнечного радиуса. Протуберанцы имеют примерно ту же плотность и температуру, что и хромосфера. Но они находятся над ней и окружены более высокими, сильно разреженными верхними слоями солнечной атмосферы. Протуберанцы не падают в хромосферу потому, что их вещество поддерживается магнитными полями активных областей Солнца. Спектр протуберанцев, как и хромосферы, состоит из ярких линий, главным образом водорода, гелия и кальция. Линии излучения других химических элементов тоже присутствуют, но они намного слабее. Некоторые протуберанцы, пробыв долгое время без заметных изменений, внезапно как бы взрываются, и вещество их со скоростью в сотни километров в секунду выбрасывается в межпланетное пространство.

Протуберанец - гигантский фонтан раскаленного газа, который

поднимается на высоту в десятки и сотни тысяч километров и

удерживается над поверхностью Солнца магнитным полем.

Солнечный протуберанец в сравнении с нашей планетой

Иногда нечто похожее на взрывы происходит в очень небольших по размеру областях атмосферы Солнца . Это так называемые хромосферные вспышки . Они длятся обычно несколько десятков минут. Во время вспышек в спектральных линиях водорода, гелия, ионизованного кальция и некоторых других элементов свечение отдельного участка хромосферы внезапно увеличивается в десятки раз. Особенно сильно возрастает ультрафиолетовое и рентгеновское излучение: порой его мощность в несколько раз превышает общую мощность излучения Солнца в этой коротковолновой области спектра до вспышки. Вспышки - самые мощные взрывоподобные процессы, наблюдаемые на Солнце. Они могут продолжаться всего несколько минут, но за это время выделяется энергия, которая иногда может достигать 10 25 Дж. Примерно такое же количество тела приходит от Солнца на всю поверхность Земли за целый год.
Пятна, факелы, протуберанцы, хромосферные вспышки - всё это проявления солнечной активности. С повышением активности число этих образований на Солнце становится больше.

К внешнему слою атмосферы Солнца относится солнечнаяКорона. Она простирается на многие миллионы километров, а ее граница продолжается до самого конца всей Солнечной системы . Естественно все планеты, в том числе и наша Земля, находятся под огромным солнечным куполом. Солнечная корона начинается сразу после хромосферы и состоит из достаточно разреженного газа. Температура короны — порядка миллиона кельвинов. Причем от хромосферы она повышается до двух миллионов на расстоянии порядка 70000 км от видимой поверхности Солнца, а затем начинает убывать, достигая у Земли ста тысяч градусов.

Из-за огромной температуры частицы движутся так быстро,что при столкновениях от атомов отлетают электроны,которые начинают двигаться как свободные частицы. В результате этого лёгкие элементы полностью теряют все свои электроны,так что в короне практически нет атомов водорода или гелия,а есть только протоны и альфа-частицы. Тяжелые элементы теряют до 10-15 внешних электронов. По этой причине в солнечной короне наблюдаются необычные спектральные линии,которые долгое время не удавалось отождествить с известными химическими элементами.