Солнце

Ленинградский Областной Институт Экономики и  Финансов 
 
 
 
 
 

      Солнце 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Выполнил

студент 372 группы:

Неверов Денис Викторович

Преподаватель:

Минина  Татьяна николаевна 
 
 

Содержание 
 
 
 

Введение

Глава I - Общие характеристики Солнца.

Глава II – Спектр и Физические процессы внутри Солнца 

Глава III - Термоядерные реакции в недрах Солнца.  

Глава IV - Солнечные нейтрино. 

Глава V-Лучистая и конвективная зоны Солнца. 

Глава VI – Солнечная атмосфера.

Глава VII – Солнечный ветер. Магнитные и электрические поля на Солнце. 

Глава VIII – Солнечное радиоизлучение.

Заключение 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

Солнце – ближайшая к Земле звезда, все другие находятся от нас неизмеримо дальше. Например, ближайшая к нам звезда Проксима из системы a Центавра в 2500 раз дальше Солнца. Для Земли Солнце мощный источник космической энергии. Оно дает свет и тепло, необходимые для растительного и животного мира, и формирует важнейшие свойства атмосферы Земли. В целом Солнце определяет экологию планеты. Без него – не было бы и воздуха, необходимого для жизни: он превратился бы в жидкий азотный океан вокруг замерших вод и обледеневшей суши. Для нас, землян, важнейшая особенность Солнца в том, что около него возникла наша планета и на ней появилась жизнь.  

Солнце и звезды. Из окружающих нас небесных тел Солнце – обыкновенная звезда, каких много можно найти на небе среди бесчисленного множества подобных звезд, различных по своим размерам, массам и светимостям. От них оно не отличается какими-либо заметными особенностями. Такие звезды называют нормальными, в отличие от тех, которые, например, входят в двойные или кратные звездные системы, или переменные звезды, определенным образом меняющие свои размеры и светимости и проявляющие те или иные признаки неустойчивости, выбрасывая вещество или даже взрываясь. Возникновение и эволюция звезд во Вселенной обеспечили возникновение жизни, потому что почти все атомы, из которых построены органические молекулы клеток растений и животных, возникли или когда-то побывали в недрах разных звезд. Для возникновения и обеспечения жизни особенно важна роль лучистой энергии Солнца, которая постоянно поддерживает необходимую для жизни среду обитания. Своим притяжением Солнце всегда удерживает Землю на почти одинаковом, среднем расстоянии от себя (астрономическая единица), обеспечивая тем самым достаточно стабильную экологию, пригодную для поддержания жизни. Наиболее энергичное ультрафиолетовое и рентгеновское излучение Солнца создает в земной атмосфере слой озона, защищающий все живое от губительной ионизующей радиации самого Солнца. Наше светило могучий и энергичный источник жизни на Земле, но в общении с ним следует быть весьма осторожным (особенно на пляже). Необходимо учитывать его мощь и знать его характер, порою вспыльчивый и грозный: иногда на Солнце наблюдаются энергичные плазменные взрывы, называемые солнечными вспышками.  

Общее строение Солнца. Теоретические исследования прошлого столетия, подтверждены экспериментальными данными последних десятилетий. Они показали, что внутренние (нами непосредственно не наблюдаемые) слои Солнца в целом состоят из трех основных частей, примерно одинаковых по глубине: 1) центральная часть (ядро), в котором максимального значения достигают температура, давление и плотность вещества, сжатого гравитацией и постоянно подогреваемого энергией термоядерных реакций; 2) лучистая зона, в которой энергия переносится наружу только излучением отдельных атомов, постоянно поглощающих и переизлучающих ее по всем направлениям; 3) конвективная зона (внешняя треть радиуса), в которой из-за быстрого охлаждения самых верхних слоев энергия переносится самим веществом. Это напоминает процесс кипения жидкости, подогреваемой снизу. Внешние, наблюдаемые слои Солнца называются его атмосферой. Их излучение, хотя и частично, непосредственно достигает наблюдателя. Солнечная атмосфера, в свою очередь, также состоит из трех основных слоев. Самый глубокий из них называется фотосферой (сфера света). Она очень тонка, всего несколько тысячных долей радиуса Солнца. Тем не менее, из этого тонкого слоя исходит почти вся энергия, излучаемая Солнцем. Фотосферу часто неправомерно называют «поверхностью Солнца», хотя у газообразного шарообразного тела поверхности нет и не может быть. Условились под радиусом Солнца понимать расстояние от центра до слоя с минимальным значением температуры.  

Строение Солнца

Во внешних  слоях фотосферы температура  достигает минимального для всего  Солнца – значения около 4200 К. При  такой температуре только один из 10 000 атомов водорода ионизован. Вместе с тем во столько же раз меньше количество атомов тех элементов, которые  легко ионизуются, отдавая хотя бы один электрон (в основном, это металлы). Поэтому в целом вещество фотосферы  даже в области температурного минимума продолжает оставаться сильно ионизованной горячей плазмой. Выше этого слоя температура быстро возрастает, усиливается  ионизация водорода и других элементов  и начинается следующая важная часть  атмосферы – хромосфера (сфера  цвета). Там, где температура увеличится почти до миллиона кельвинов, хромосфера переходит в солнечную корону – горячую высокоионизованную плазму, расширяющуюся в межпланетное пространство в виде так называемого солнечного ветра – потока заряженных частиц (плазмы), увлекающего с собой  силовые линии солнечных магнитных  полей и «обдувающего» земную магнитосферу.  
 
 

Глава I - Общие характеристики Солнца. 
 

     По  своим размерам Солнце относится  к типичным звездам-карликам спектрального  класса G2 диаграммы Герцшпрунга - Рассела. Это означает, что солнечный свет, который мы привыкли воспринимать как  белый, на самом деле слегка желтоватый. Солнце удалено от Земли в среднем  на расстояние 149 597 870 км. Поскольку это расстояние – важнейший масштаб в Солнечной системе, его принимают в качестве одной из основных единиц измерения расстояний в астрономии и называют астрономической единицей (а.е.). Солнце – центральное тело нашей Солнечной системы и в нем сконцентрировано более 99,86% всей ее массы. Полагают, что планеты и Солнце возникли 4–5 млрд. лет назад из гигантской газопылевой туманности. При этом Солнце вобрало в себя наибольшую часть массы, которая в настоящее время составляет около 2·1027 тонн, что в 333 тысячи раз больше массы Земли и в 743 раза превышает массу всех планет, вместе взятых. Зная расстояние до Солнца и видимый его угловой радиус, легко определить, что оно в 109 раз больше Земли, и его радиус достигает 696 тысяч километров. Следовательно, объем Солнца более, чем в 1 300 000 раз превышает земной, а потому средняя плотность оказывается почти в 4 раза меньше земной и составляет около 1,4 г/см3\up12 (или 1410 кг/м3\up12 ). По земным меркам светимость Солнца колоссальна и достигает 3,85·1023 кВт. Даже ничтожная доля этой энергии, которая облучает земной шар (а это, примерно, одна десятимиллиардная) по своей мощности в десятки тысяч раз больше, чем могут выработать все электростанции мира. Энергия солнечных лучей, падающих на перпендикулярную к ним площадку в 1 квадратный метр на Земле, могла бы заставить работать двигатель мощностью 1,4 кВт, а 1 м2 атмосферы Солнца излучает энергию с мощностью 60 МВт (мегаватт). Солнце излучает так же, как и абсолютно черное тело с температурой около 6000 кельвинов (точнее 5770 К).  
 
 

Солнце в числах. В таблице 1 приведены значения основных параметров Солнца.  

Таблица 1. ЗНАЧЕНИЯ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ СОЛНЦА

Расстояние от Земли наибольшее 152,1·106 км

среднее 149,6·106 км

наименьшее 147,1·106 км

Диаметр угловой   январь 32¢ 35²

Июль 31¢ 31²

Радиус угловой (средний) 959,6²

Радиус линейный   696 000 км

Масса   1,99·1030 кг

Средняя плотность   1,41 г/см2

Светимость   3,85·1026 Вт

Температура по излучению Эффективная 5770 К

Температура  в центре 15 000 000 К

Спектральный  класс   G2,V

Возраст   Около 4,6·109 лет

Доля массы  Не в начале эволюции 0,27

Вращение Солнца. Наблюдаемые слои Солнца вращаются вокруг некоторой оси, немного отклоняющейся от нормали к плоскости эклиптики (на угол 7°15ў). Вращение происходит не как у твердого тела: его период относительно земного наблюдателя (т.е. синодический) изменяется от 27 сут. на экваторе до 32 сут. у полюсов. Поэтому скорость вращения наружных слоев Солнца зависит от углового расстояния от экватора (гелиографической широты). На экваторе линейная скорость вращения составляет около 2 км/с. Такой характер вращения Солнца сохраняется вглубь на протяжении около 200 000 км, что установлено на основании исследования частот звуковых волн, которыми буквально пронизано все Солнце. Более детальный анализ позволил выявить неоднородности вращения солнечного вещества, как если бы в нем, помимо общего вращения, происходили крутильные колебания отдельных слоев. Однако глубже 200 000 км вращение становится более однородным, и основная масса Солнца вращается почти однородно, подобно твердому телу.  
 
 
 

Глава II – Спектр и Физические процессы внутри Солнца 

     Спектр  Солнца:   Солнечный свет, разложенный на составные цвета, называется его спектром. Впервые в лаборатории спектр Солнца наблюдал Ньютон. Пропустив тонкий солнечный луч через призму, он увидел красочную полоску и так назвал новое явление (spectrum по латыни привидение). Однако в природе спектр Солнца часто наблюдается в виде радуги в дождливую погоду. Ее возникновение аналогично тому, что происходит в любом спектральном физическом приборе (например, спектрографе, предназначенном для фотографирования спектров). В приборе белый свет проходит через узкую щель, а затем через стеклянную призму или дифракционную решетку, которые разлагают свет на лучи всевозможных цветов в виде многоцветной полоски, состоящей из ряда цветных изображений щели. Полоска, соответствующая длине каждой световой волны, излучаемой источником, оказывается строго на своем месте (аналогично клавишам рояля). Свет может разлагаться так называемой дифракционной решеткой – зеркалом, на которое нанесены частые тончайшие штрихи, разделяющие его на очень большое число узеньких продолговатых зеркалец. На каждом из них свет рассеивается по всем направлениям (дифрагирует). В каком-либо одном направлении лучи складываются (интерферируют) так, что усиливается свет только строго одного цвета (монохроматический), а все остальные цвета – гасятся. В случае естественной радуги происходит то же самое, но роль решетки выполняют струи из капелек воды. Солнечные спектрографы, длина которых достигает десятка и более метров, создают полосу спектра, одна только видимая часть которого достигает многих метров. Самая замечательная особенность солнечного спектра – десятки тысяч узких темных полосок, многие из которых впервые описал в 1814 немецкий физик Йозеф Фраунгофер. Впоследствии эти темные линии поглощения стали называть фраунгоферовыми. Спектральные линии – как бы буквы огромной книги, по которой астрофизики могут узнать очень многое о солнечных газах в тех местах, где их пересекла щель спектрального аппарата. Каждая спектральная линия испускается атомом или ионом какого-либо определенного химического элемента, обладающим определенной энергией возбуждения. Если бы излучающие атомы были в небольшом количестве изолированы от остальной части солнечного вещества, подобно атомам неона в рекламной трубке, то в спектральном приборе мы увидели бы в излучении только одну (или несколько) ярких спектральных линий. Все атомы способны излучать свет и вне спектральных линий (непрерывный спектр). Однако в линиях, как правило, газ менее прозрачен и видны внешние слои атмосферы, расположенные выше слоев, наблюдаемых в непрерывном спектре. Если в атмосфере наружу температура убывает, то на фоне более яркого непрерывного спектра линии кажутся темными. Каждая спектральная линия несет в себе информацию о физических свойствах и движении излучающего ее вещества. Если она смещена в синюю часть спектра от своего нормального положения, то, согласно эффекту Доплера, – газ приближается к нам, если в красную – то удаляется от нас. Ширина и форма спектральной линии связаны с количеством излучающих и поглощающих атомов, скоростью их движения и температурой газа. Если газ находится в магнитном поле, линия расщепляется на две или три составляющие, которые в сильном магнитном поле видны раздельно.

 
 
 
 

Физические процессы внутри Солнца: Выделение термоядерной энергии происходит в центральной области Солнца (ядре), радиус которой около четверти радиуса всего Солнца. Дальше от центра выделение энергии за счет ядерных реакций быстро ослабевает и на расстоянии около 0,3 радиуса становится несущественным. На протяжении расстояний, примерно, от 0,3 до 0,7 радиуса Солнца находится лучистая зона, в которой энергия переносится лишь путем последовательных процессов поглощения квантов и последующего их переизлучения. При этом поглощаются чаще всего более энергичные кванты рентгеновских и ультрафиолетовых лучей, а вместо них чаще излучаются менее энергичные видимые и инфракрасные лучи. В результате общая энергия, переизлучаемая сферическими слоями, площадь которых увеличивается с удалением от центра Солнца, сохраняется, а их температура постепенно уменьшается. Последняя треть радиуса приходится на конвективную зону, в которой происходит перемешивание вещества (конвекция), и перенос энергии осуществляется движением самого вещества. Конвективная зона переходит в нижние слои солнечной атмосферы – фотосферу, где температура продолжает уменьшаться вплоть до минимального для всего Солнца значения около 4200К.  
 
 

Глава III - Термоядерные реакции в недрах Солнца.  
 

     Обычными  методами нельзя непосредственно увидеть  внутренние слои Солнца. Физические условия  в них определяются на основании  теоретических расчетов и проверяются, в частности, на основании изучения распространения акустических волн в недрах Солнца методами гелиосейсмологии, а также путем регистрации  солнечных нейтрино, возникающих  в результате ядерных реакций  в центральных его слоях. Вблизи центра Солнца температура превышает  десять миллионов кельвинов, а давление достигает сотен миллиардов атмосфер. При таких температурах атомы  движутся с огромными скоростями, достигающими сотен километров в  секунду. Поскольку плотность вещества очень велика, весьма часто происходят взаимодействия частиц с квантами (фотонами), а также столкновения их друг с  другом. В результате этих процессов  внешние электронные оболочки атомов полностью разрушаются и от атомов остаются лишенные электронов положительные  ионы. Для начала термоядерных реакций (т.е. реакций с образованием частиц высоких энергией) необходимо очень  тесное сближение атомных ядер. Для  одинаково заряженных частиц ему  препятствует электростатическое отталкивание по закону Кулона (так называемый кулоновский  барьер). Для его преодоления частицы  должны иметь огромные энергии, т.е. температура и давление в плазме должны быть очень велики. Взаимные столкновения протонов обладают наименьшим кулоновским барьером. Поэтому, в  первую очередь, в недрах звезд возникают  реакции синтеза легких ядер, а  эволюция звезд начинается с «выгорания»  водорода и других наиболее легких химических элементов. Этому способствует уникальная возможность, имеющая квантовомеханическую природу: а именно – проникновения  менее энергичных протонов через  кулоновский барьер за счет туннельного  эффекта. Эта возможность следует  из принципа неопределенности Гейзенберга: фиксирование малого расстояния (при  сближении частиц) делает неопределенным значение импульса. В итоге вероятность  распада одного из двух протонов в  момент их тесного столкновения оказывается  хотя и малой, но конечной: в недрах Солнца каждый протон в среднем в  течение 14-и млрд. лет ежесекундно  испытывает миллионы столкновений, но только одно из них заканчивается  его распадом и объединением с  другим протоном. Однако, благодаря  огромному общему числу протонов, «выгорание» водорода оказывается  эффективным в течение длительного  времени. Во время ядерных реакций  синтеза выделяются огромные энергии (несколько МэВ в расчете на один нуклон), что значительно превосходит  энерговыделение, обусловленное другими  известными механизмами (например, химическими  реакциями). При этом масса образующихся ядер не равна сумме масс входящих в них нуклонов, но несколько меньше на величину так называемого дефекта  массы (около 0,73%). Это объясняется  наличием сильной связи между  нуклонами в ядре, так что для  их освобождения небходимо затратить  энергию, равную энергии этой связи. При обратном процессе синтеза ядер из свободных нуклонов эта энергия  выделяется. Ее величина, согласно соотношению  Эйнштейна, равна дефекту массы, умноженному на квадрат скорости света. Основным источником энергии  в недрах Солнца является цепочка  протон протонных термоядерных реакций. В конечном счете 4 ядра атома водорода (протона) превращаются в ядро атома  гелия (альфа-частицу). Примерно в 70% случаев  водородная цепочка состоит из трех основных реакций. Первая из них начинается с бета-распада ядра атома водорода (протона 1H), который в свободном  состоянии необычайно устойчив. Распад может произойти в краткий  миг исключительно тесного сближения (столкновения) двух протонов. Тогда  возможно превращение одного из них  в нейтрон с испусканием позитрона e+ и электронного нейтрино nе. Объединяясь  с другим протоном, этот нейтрон  образует ядро изотопа водорода –  дейтерия (тяжелого водорода) с атомным  весом 2 (2Н). При этом выделяется 1,442 МэВ тепловой энергии, соответствующей  дефекту массы. Для отдельного протона  такое событие может произойти  раз в 14·109 лет. Это определяет скорость термоядерных реакций на Солнце и  общее время его эволюции. Нейтрино, движущееся со скоростью света, крайне слабо взаимодействует с веществом  и практически беспрепятственно проходит через все Солнце, покидая  его. Позитрон же, возникший при распаде  протона, немедленно аннигилирует с  первым встречным электроном, испуская пару гамма-квантов (?). Во второй реакции  дейтроны 2Н, возникшие в результате первой реакции, за считанные секунды  захватывают новые протоны, испуская g - кванты и образуя ядра изотопа 3He. Благодаря третьей реакции, в  течение времени порядка миллиона лет ядра изотопа 3He могут слиться  и, высвободив два протона, образовать ядро обычного гелия 4He (a-частицу).