Модель внутреннего строения Солнца

В силу сферической симметрии физические свойства Солнца одинаковы на одинаковых расстояниях от центра. В зависисмости от свойств вещества, Солнце можно разделить на 4 слоя.

Центральная область простирается на расстояние до 0,2 радиуса называется ядром. Это зона энерговыделения. Температура в ядре 1,5 ^. 10⁷К. Давление достигает 3 ^. 10¹¹ атм. В этих условиях атомы водорода движутся со скоростями до сотен км/с. При условии высокой плотности (150 г/см³) часто происходят столкновения атомов. Некоторые из таких столкновений приводят к тесным сближениям атомных ядер, необходимым для возникновения ядерных реакций.

Солнечное ядро - это самоуправляемый термоядерный реактор, в котором происходит синтез ядер гелия из ядер водорода (протон-протонный цикл).

Реакция начинается с b-распада одного из двух протонов в момент тесного их сближения:

¹H + ¹H ® ²D + e⁺ + n + 1,44 МэВ. (происходит 14 ^. 10⁹ лет).

При b-распаде протон превращается в нейтрон с испусканием позитрона e⁺ и нейтрино n. Объединяясь со вторым протоном, нейтрон даёт ядро тяжёлого водорода - дейтерия ²D. Для каждой пары протонов процесс в среднем осуществляется за 14 млрд. лет, что и определяет медленность термоядерных реакций на Солнце и общую протяжённость его эволюции.

Далее происходят столкновения дейтерия с третьим протоном и образование ядер изотопа ³Не, которые, объединяясь и испуская два протона, дают ядро обычного гелия.

Масса ядра гелия на 1% меньше массы четырёх протонов. Эта потеря массы называется дефектом массы и является причиной выделения в результате ядерных реакций большого количества энергии в виде g- излучения и испускания нейтрино. При рождении одного ядра гелия выделяется энергия = 4,129 ^. 10^-5 эрг = 25,8 МэВ.

Нейтрино обладают ничтожной массой покоя, распространяются со скоростью света и на Земле должны составлять поток 10¹¹ частиц через 1 см³ за секунду.

Светимость Солнца поддерживается превращением в гелий 600 млн. т водорода.

Основная часть энергии переносится из ядра жёстким электромагнитным излучением, которое миллионы лет диффундирует к поверхностным слоям Солнца. На расстоянии 0,3 радиуса от центра температура становится меньше 5 млн К, давление ниже 10 млрд. атм. и ядерные реакции происходить уже не могут.

Ядро окружено зоной лучистого равновесия, или зоной лучистого переноса энергии. Эта зона простирается на расстояние от 0,2 до 0,7 радиуса.

Энергия ядра к внешним слоям переносится излучением. Электромагнитная волна сама переносит свою энергию. В этой зоне значительная часть движущихся из недр фотонов частично поглощается, частично рассеивается свободными ядрами и электронами, поэтому перенос энергии сопровождается уменьшением средней энергии квантов, а также уменьшением температуры, давления и плотности вещества. Эти слои только передают наружу излучение, выделившееся на большей глубине в виде гамма-квантов, которые поглощаются и переизлучаются отдельными атомами. Вместо каждого поглощённого кванта большой энергии атомы излучают несколько квантов меньших энергий. Поглощая, атом ионизуется или сильно возбуждается и приобретает способность излучать. Однако возвращение электрона на исходный энергетический уровень происходит не сразу, а через промежуточные состояния, при переходах между которыми выделяются кванты меньших энергий. В результате этого происходит дробление жёстких квантов на менее энергичные. Поэтому вместо гамма-лучей излучаются рентгеновские, вместо рентгеновских - ультрафиолетовые, которые в свою очередь уже в наружных слоях дробятся на кванты видимых и тепловых лучей, окончательно излучаемых Солнцем.

На растоянии 0,7 радиуса от центра температурный режим становится таким, что уже могут существовать нейтральные атомы водорода и гелия (Т= ^. 10⁶ К, р=10⁶ атм, р= 10^-2 г/см³).

Перенос энергии излучением становится неэффективным. В отдельных объёмах газа температура может возрастать, они становятся более лёгкими и поднимаются вверх, на их место опускаются более холодные массы газа. Возникают крупномасштабные движения вещества - конвекция, которая и является основным механизмом переноса энергии к поверхностным слоям. Эта зона называется конвективной.

Часть энергии при относительном движении потоков плазмы в конвективной зоне превращается в энергию электрических и магнитных полей.

Протяжённость конвективной зоны 1,5 ^. 10⁶ км (0,2 радиуса). Скорость движения вещества значительно возрастает. От нескольких м/с до 3 км/с.

Над конвективной зоной на расстоянии 0,9 радиуса от центра и выше располагается атмосфера.

18.2 Активные образования в атмосфере Солнца: пятна, флокулы, протуберанцы, вспышки.

В солнечной атмосфере возникают и исчезают меняющиеся образования, резко отличающиеся от окружающих невозмущённых областей.

В фотосфере, хромосфере и короне проявления солнечной активности различны. Однако все они связаны общей причиной. Их вызывает магнитное поле, всегда присутствующее в активных областях.

Факелы. В невозмущённых областях фотосферы имеется лишь общее магнитное поле Солнца, напряжённость которого составляет 1 эрстед. В активных областях напряжённость магнитного поля увеличивается в сотни и даже тысячи раз.

Небольшое увеличение магнитного поля до десятков и сотен эрстед 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. Они горячее соседней невозмущённой области на 200 - 300 К и слегка выступают над уровнем невозмущённой фотосферы.

Факелы могут существовать без изменений в течение нескольких недель и месяцев.

Пятна. В областях факелов с наибольшим усилением магнитного поля могут возникать солнечные пятна.

Пятно появляется в виде маленькой поры. Через день пора развивается в круглое тёмное пятно с резкой границей, диаметр которого увеличивается до размеров в несколько десятков тысяч километров.

Всё явление сопровождается плавным увеличением напряжённости магнитного поля, которое в центре крупных пятен достигает нескольких тысяч эрстед. Иногда возникает несколько пятен в пределах небольшой области, вытянутой параллельно экватору - группа пятен. Сильнее всего развиваются два пятна - ведущее (западное) и хвостовое (восточное). Магнитные поля обоих главных пятен всегда обладают противоположной полярностью, поэтому такую группу называют биполярной. Наибольшей величины площадь, занимаемая пятнами достигает на десятый день. После этого пятна начинают постепенно уменьшаться и исчезать. В целом весь процесс занимает около двух месяцев.

В центре пятна яркость меньше всего в 10 раз прилегающей областей фотосферы. Температура в пятне на 2 000 градусов меньше чем в фотосфере.

В конце мая 1995 года учёные Китт-Пикской обсерватории обнаружили в инфракрасных спектрах солнечных пятен линии поглощения водяного пара. Оказалось, что в пятнах существует водяной пар, нагретый до 1000⁰С.

Флоккулы. Хромосфера над пятнами и факелами увеличивает свою яркость. Контраст растёт с высотой. Эти яркие пятна называются флоккулами. Повышенная яркость флоккула можно объяснить увеличением плотности вещества в хромосфере в 3-5 раз при неизменном значении температуры.

Хромосферные вспышки. В хромосфере в области между развивающимися пятнами вблизи границы раздела полярности сильных магнитных полей, наблюдаются хромосферные вспышки. В начале вспышки яркость одного из светлых узелков флоккула внезапно возрастает. За короткое время, около минуты, сильное излучение распространяется вдоль длинного жгута или заливает целую область протяжённостью в десятки тысяч километров. Вспышка бывает заметна в белом видимом свете на фоне фотосферы. Одновременно с видимым излучением растёт интенсивность ультрафиолетовых и рентгеновских лучей, мощность радиоизлучения.

После достижения максимума излучение ослабевает в течение нескольких десятков минут. Эти явления объясняются выделением большого количества энергии в результате неустойчивости 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 градусов, а также идёт на ускорение облаков плазмы и элементарных частиц.

Весь процесс имеет характер взрыва, сопровождающегося сильным сжатием вещества в некотором объёме хромосферы. Ускоренные в процессе вспышки частицы имеют большие энергии и являются космическими лучами. Их энергия всё же меньше, чем у частиц, приходящих из далёких областей Галактики, поэтому их называют “мягкими” космическими лучами.

Корпускулярные потоки ещё менее энергичных частиц распространяются со скоростями 500-1000 км/с.

Протуберанцы. Активные образования, наблюдающиеся в короне. Это более плотные и холодные облака, светящиеся примерно в тех же спектральных линиях, что и хромосфера. Чаще всего это длинные, очень плоские образования, расположенные почти перпендикулярно к поверхности Солнца. В проекции на солнечный диск протуберанцы видны в виде изогнутых волокон. Это наиболее грандиозные образования в солнечной атмосфере. Их длина достигает сотен тысяч километров, а ширина не выше 6000-10000 км.

Нижние части сливаются с хромосферой, а верхние простираются на десятки тысяч километров в корону.

Через протуберанцы постоянно происходит обмен вещества хромосферы и короны.

Возникновение, развитие и движение протуберанцев тесно связано с эволюцией групп солнечных пятен. На первой стадии 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 месяцев, после чего может наступить стадия активизации протуберанца, проявляющаяся в возникновении сильных движений, выбросов вещества в корону и появлении быстро движущихся эруптивных протуберанцев.