Температура фотосферы колеблется от 8000 К на глубине 300 км до 4000 К в верхних слоях. Поставки газовых компонентов нерегулярны. 24 дня на экваторе и 30 дней на полюсах. Красный цвет хромосферы виден только во время полного солнечного затмения.
Что мы знаем о Солнце
Наиболее изученной звездой является наше Солнце. Он очень полезен для нас: без него не было бы жизни на Земле. Но что мы узнали о Солнце за всю историю наблюдений за ним?
Из предыдущей лекции мы знаем, что Солнце очень большое: Его диаметр в 10 раз больше, чем у самой большой планеты нашей системы, Юпитера, и почти в 110 раз больше, чем у Земли. По массе Солнце и Юпитер отличаются примерно в 10³ = 1000 раз, поскольку их плотность примерно одинакова, около 1,5 г/см³, чуть больше плотности морской воды, привычного нам значения. Однако следует отметить, что это среднее значение для всего объема: На поверхности Солнца плотность газа гораздо ниже, в то время как к центру она увеличивается до 20-кратного значения плотности железа.
Как смотреть на Солнце
Мы можем чувствовать солнце из-за его излучения. А какова его общая производительность? Если бы мы поместили Солнце в центр огромного космического рефлектора и таким образом сконцентрировали все его светило на Земле, то через 4 минуты все наши океаны не просто закипели бы, а полностью выкипели в космос. Представьте себе: всего 4 минуты — и на Земле больше нет воды, таково значение солнечной радиации. И через 10 дней вся планета испарилась бы.
К счастью, мы получаем не всю радиацию от Солнца, а лишь крошечную часть, поэтому Земля и жизнь на ней не сильно страдают. Но имейте в виду: прямой солнечный свет очень опасен для вашего зрения. Конечно, вы можете посмотреть на него на мгновение, а затем отвернуться. Но лучше этого не делать. Даже если вы наблюдаете затмение, не стоит долго смотреть на него без солнцезащитных очков. И вам нужны не пляжные очки, а специальные очки с очень толстым светозащитным слоем, который ослабляет световой поток примерно в тысячу раз, чтобы ваша сетчатка не страдала от увиденного.
А если вы решите наблюдать за Солнцем с помощью телескопа, то имейте в виду, что это крайне опасно. Телескоп собирает свет с помощью большой линзы и направляет его в глаз. Астрономы шутят, что посмотреть на Солнце через телескоп можно только два раза в жизни: один раз правым глазом, а второй раз — левым. Стоит лишь на мгновение заглянуть в окуляр, и он выключается — ломается. Чтобы избежать этого, они создали специальный окуляр с зеркалом, которое отбрасывает 99,99% света в сторону и направляет его в ту часть обсерватории, где никто не должен находиться. Глаз получает немного света, и тогда вы можете спокойно смотреть на поверхность солнца.
Однако если вам когда-нибудь придется сидеть в окуляре большого телескопа, знайте, что это не лишено опасности: обратите внимание, что рядом с осью телескопа находится маленький телескоп — разновидность прицела под названием гид или детектор, который имеет свой собственный окуляр. В школьные годы я использовал такой телескоп для наблюдения за Солнцем, проецируя его на белый экран (это очень удобный и безопасный метод), и однажды забыл закрыть объектив телескопа. Когда я вдруг заметил запах гари, я рассчитал и тут же отпрыгнул от телескопа. А потом я некоторое время ходил в пальто, и у меня была дырка в спине. Поэтому даже небольшой телескоп, фокусирующий солнечные лучи на вашей спине, может серьезно повредить вам.
Самый простой способ наблюдать за Солнцем — без телескопа. Вы берете небольшой лист бумаги или картона, прокалываете его иглой и получаете геометрически точное изображение солнца с помощью камеры-обскуры. Люди наблюдают затмение таким образом, не рискуя.
Что видно на Солнце
Когда мы смотрим на нашу звезду с Земли, мы видим четко очерченный фотосферный круг и можем измерить его диаметр. При ближайшем рассмотрении мы замечаем странный эффект затемнения по краям: Солнечный диск ярче в центре, чем по краям. Это легко объяснить: В центре наш глаз пересекает солнечную атмосферу по вертикали, двигаясь вглубь через более горячие слои до предела прозрачности, в то время как на видимом краю (так называемый лимбус) он пересекает только верхние слои атмосферы, которые более холодные и поэтому менее яркие.
Поверхность Солнца не так однородна, как кажется на первый взгляд: мы видим несколько пятен на светлом фоне. Более того, если фотографировать или зарисовывать солнце изо дня в день, то можно заметить, что оно движется. Из этого мы делаем вывод, что, во-первых, Солнце вращается, а во-вторых, не все области Солнца имеют одинаковую температуру: В то время как нормальная температура составляет около 6000 К, солнечные пятна гораздо холоднее — до 4000 К, как показывают измерения. Разница не кажется большой, но помните, что мощность излучения пропорциональна четвертой мощности температуры. Кроме того, спектр смещается от видимого света к инфракрасному, а инфракрасные лучи не так сильно проникают в атмосферу Земли и не так хорошо обнаруживаются фотоприемниками, поэтому солнечные пятна кажутся такими черными.
Размеры солнечных пятен невероятны. Есть пятна, размер которых во много раз превышает размер земной сферы. Солнечные пятна окружены яркой фотосферной поверхностью, из которой постоянно выходят горячие потоки газа. Более холодные солнечные пятна четко отличаются от них градациями яркости: Астрономы говорят, что солнечное пятно имеет «тень» (амбра) и «полутень». Солнечное пятно стабильно, потому что сильное магнитное поле препятствует горизонтальному перемешиванию газов внутри него. Частицы горячего газа ионизируются и образуют плазму, которая движется в магнитном поле особым образом: она может двигаться вдоль линий поля, но не поперек, поэтому циркуляция вещества в поперечном направлении тормозится.
Когда мы рассматриваем фотосферу Солнца при большом увеличении, мы находим много других странных вещей, помимо пятен. Тем временем появилось новое поколение телескопов, в том числе на спутниках, летающих за пределами земной атмосферы, так что теперь мы можем наблюдать структуру поверхности в мельчайших подробностях. Оказывается, что даже спокойная, невозмущенная фотосфера не является однородной; она состоит из зерен. Размер этих зерен составляет порядка угловой секунды, что соответствует примерно тысяче километров. Это огромные потоки плазмы, которые поднимаются из недр Солнца почти со скоростью звука, охлаждаются и уходят вниз. А в солнечных пятнах происходит «каскад»: Когда материя остывает, она устремляется вниз вдоль линий магнитного поля, но тепловой поток снизу не такой интенсивный. Поэтому материя охлаждается все больше и больше и становится темной, почти черной в телескопе, в отличие от яркой поверхности.
Если у вас есть небольшой телескоп без специальных фильтров, вы можете проецировать на него изображение, поместив экран рядом с окуляром. Когда луна «ползет» по солнцу, вы можете сфотографировать фазы затмения на экране, чтобы защитить свои глаза.
Как выглядит поверхность Солнца
Это был очень увлекательный, но и чрезвычайно сложный проект», — говорит физик GREGOR и руководитель исследования Люсия Кляйнт. Всего за один год мы полностью переработали оптическую, механическую и электронную системы, чтобы добиться наилучшего качества изображения.
Хотя пандемия коронавируса негативно сказалась на большинстве научных экспериментов, от многих из них пришлось отказаться, в данном случае она оказалась полезной. Во время карантина в Испании ученые буквально застряли в обсерватории. Чтобы не терять времени, они организовали оптическую лабораторию.
Они смогли устранить две основные проблемы, из-за которых изображение выглядело размытым и не в фокусе. Ученые заменили старые зеркала телескопа на внеосевые параболические зеркала, отполированные до 0,0001 ширины человеческого волоса. Эти зеркала фокусируют параллельный пучок света в одну точку и, таким образом, позволяют получить более четкое изображение.
Телескоп GREGOR после модернизации
Когда карантин в Испании был снят, первое, что сделала команда GREGOR, — запустила свой модернизированный телескоп.
Новые изображения показывают солнечные сферы с горячей плазмой, выходящей из недр Солнца. Эта плазма движется наружу по мере охлаждения, а затем падает обратно вокруг сферы. Этот цикл повторяется снова и снова.
Оказывается, наше Солнце — это «дыра»!
Эти сферы немного похожи на попкорн, но не обманывайтесь — их диаметр составляет около 1 500 километров, или чуть более 10% диаметра Земли.
Если вас интересуют новости науки и техники, подписывайтесь на нас в Яндекс.Дзен, чтобы не пропустить ничего нового!
Чем опасны солнечные бури
Но ученые запустили свой телескоп не только для того, чтобы показать нам, насколько близко мы можем видеть поверхность Солнца (хотя в этом нет недостатка). Особый интерес для них представляют магнитные поля Солнца. Линии магнитного поля разрываются, спутываются и снова соединяются. Это магнитное «движение» приводит к высвобождению большого количества энергии, вызывая солнечные бури — явление, которое может повлиять на нас здесь, на Земле, нарушая спутниковую навигацию и связь. Несмотря на знания, полученные человечеством при изучении солнечной активности, наша способность предсказывать космическую погоду остается крайне ограниченной, что может иметь очень неприятные последствия в планетарном масштабе.
Такие изображения, как полученные GREGOR и другими солнечными обсерваториями, помогут нам лучше понять эти солнечные процессы. Кроме того, мы не устаем наблюдать впечатляющие изображения поверхности нашего Солнца.
Солнце издает звуки?
Геофизики из отдела космических исследований Юго-Западного исследовательского института ранее пришли к выводу, что звук от Солнца вокруг нашей планеты в условиях отсутствия вакуума может достигать 100 децибел, что эквивалентно звуку музыки на современном рок-концерте.
Как минимум, мы с вами получили бы серьезные повреждения слуха. В худшем случае мы исчезнем и появимся на Земле только в виде более или менее развитого живого существа. Сосед с перфоратором, делающий ремонт в воскресенье утром, по сравнению с ним покажется безобидным.
А в конце прошлого года ученые впервые зафиксировали магнитный взрыв на Солнце. Взрыв выбросил вещество в виде выпуклости — плотного фонтана горячего газа, который поднимается и остается на поверхности звезды. Исследователи отмечают, что температура в эпицентре взрыва составляла от 1 до 2 миллионов градусов Цельсия, что в два раза превышает температуру в эпицентре ядерного взрыва.
Звезда в галактике Млечный Путь, геометрическая форма которой представляет собой гигантскую светящуюся газообразную сферу, постоянно излучающую потоки энергии. Единственный источник света и тепла в нашей звездно-планетной системе. Согласно общепринятой классификации светил во Вселенной, Солнце в настоящее время имеет возраст желтого карлика.
Инженерия
Для достижения полученных результатов этот телескоп потребовал несколько важных новых подходов к его проектированию и строительству. Солнечный телескоп Иноуэ, построенный Национальной солнечной обсерваторией и управляемый Ассоциацией университетов для исследований в области астрономии (AURA), сочетает в себе 4-метровое зеркало — самое большое в мире для солнечного телескопа — с беспрецедентными условиями наблюдения на вершине вулкана Халеакала на высоте более 10 000 футов (3 000 метров).
Обсерватория Халеакала — Экрем Канли
13-киловаттный солнечный фокус генерирует огромное количество тепла, которое необходимо сохранять или рассеивать. Специальная система охлаждения обеспечивает необходимую тепловую защиту телескопа и его оптики. Более семи миль трубопроводов распределяют теплоноситель по всей обсерватории, частично охлаждаемый льдом, который образуется на площадке в ночное время.
Солнечный телескоп имени Даниэля К. Иноуэ
Купол, закрывающий телескоп, покрыт тонкими охлаждающими пластинами, которые стабилизируют температуру вокруг телескопа, чему способствуют жалюзи внутри купола, обеспечивающие тень и циркуляцию воздуха. Термический колпак» (высокотехнологичный металл в форме пончика, охлаждаемый водой) блокирует большую часть солнечной энергии от первичного зеркала, позволяя ученым изучать конкретные регионы Солнца с беспрецедентной четкостью.
Телескоп также использует усовершенствованную адаптивную оптику для компенсации искажений, вызванных атмосферой Земли. Конструкция оптики (внеосевое расположение зеркал) уменьшает интенсивный рассеянный свет для лучшего обзора и дополняется современной системой точной фокусировки телескопа и устранения искажений, вызванных атмосферой Земли. Эта система, используемая для изучения Солнца, является самой совершенной на сегодняшний день.
— Обладая самой большой апертурой среди солнечных телескопов, уникальным дизайном и самым современным оборудованием, солнечный телескоп Иноуэ впервые сможет провести самые современные измерения различных солнечных показателей», — сказал Риммеле: «После более чем 20 лет работы большой команды по проектированию и строительству главной солнечной обсерватории мы близки к финишу. Я очень рад возможности использовать этот невероятный телескоп для наблюдения за первыми пятнами нового солнечного цикла, которые только что появились.
Новая эра солнечной астрономии
Новый наземный солнечный телескоп Иноуэ будет работать совместно с космическими солнечными обсерваториями, такими как солнечный зонд НАСА (Parker) (в настоящее время находится на орбите вокруг Солнца) и солнечный орбитальный аппарат ЕКА/НАСА (SolO) (скоро будет запущен). Эти три солнечные обсерватории расширят границы исследований солнечной энергии и улучшат способность ученых предсказывать «космическую погоду».
— Это захватывающие времена для физики Солнца, — сказал Валентин Пиле, директор Национальной солнечной обсерватории NSF, — Солнечный телескоп Иноуэ обеспечит дистанционное зондирование внешних слоев Солнца и магнитных процессов, происходящих в них. Эти процессы распространяются по всей Солнечной системе, где миссии Solar Probe и Solar Orbiter будут измерять их влияние. Взятые вместе, они представляют собой поистине универсальный набор инструментов для понимания того, как звезды и их планеты связаны с магнитным полем.
— Эти первые изображения — только начало, — говорит Дэвид Бобольц, руководитель программы в Отделе астрономических наук NSF, который курирует строительство и эксплуатацию установки. «В течение следующих шести месяцев команда ученых, инженеров и техников телескопа Иноуэ продолжит тестирование и ввод в эксплуатацию, чтобы подготовить телескоп к использованию в международных исследованиях Солнца. За первые пять лет работы солнечный телескоп Иноуэ соберет больше информации о нашем Солнце, чем все данные о Солнце, которые были направлены на него с помощью телескопа со времен Галилея в 1612 году.
Это изображение, полученное при длине волны 789 нанометров (нм), является первым, на котором видны объекты размером до 30 километров (18 миль) на пиксель.
Существует несколько теорий о происхождении Солнца. Самая популярная из них гласит, что яркость была создана газопылевым облаком, образовавшимся в результате сверхновой звезды. В качестве доказательства приводится наличие большого количества урана и золота в центральном теле нашей звездной системы.
Строение Солнца
Структура Солнца
В центре звезды находится ядро. Она занимает четверть радиуса Солнца. Здесь бушуют термоядерные реакции, порождающие видимую нами радиацию. Из-за огромных размеров плотность материи внутри Солнца огромна, в 150 раз больше плотности воды.
Затем существует область радиационного переноса, где фотоны движутся хаотично. Удивительно, но для достижения следующего слоя требуется в среднем 170 000 лет.
Конвективная зона — это внешняя область Солнца, где движение плазмы происходит за счет эффекта конвекции (горячее поднимается вверх к холодному, холодное опускается вниз к теплому). Между этими двумя областями находится тонкий слой, тахоклин, где возникает магнитное поле.
Солнечная атмосфера состоит из трех слоев: хромосферы, переходной области и короны. Видимая поверхность, которая находится на глубине нескольких сотен километров, называется фотосферой.
Поверхность Солнца
Температура фотосферы колеблется от 8000 К на глубине 300 км до 4000 К в верхних слоях. Поставки газовых компонентов нерегулярны. 24 дня на экваторе и 30 дней на полюсах. Красный цвет хромосферы виден только во время полного солнечного затмения.
Солнечные пятна, факелы и гранулы
Поверхность Солнца неравномерно яркая и имеет менее яркие участки, называемые солнечными пятнами. Их продолжительность варьируется от нескольких дней до нескольких недель. Следует отметить, что существуют солнечные пятна, диаметр которых превышает диаметр Земли.
Солнечные пятна
Интересный факт: Солнечные пятна — это области сверхмощных взрывов, которые оказывают максимальное влияние на нашу планету.
Он также встречается на поверхности Солнца:
- Вспышки — области повышенной яркости — являются «братьями и сестрами» солнечных пятен и часто появляются до или после них,
- Зерна размером около тысячи километров, которые покрывают всю фотосферу и видны невооруженным глазом,
- суперзерна размером около 35 000 км, которые также покрывают всю поверхность Солнца. Но они проявляются только через физические эффекты.
Внутри Солнца
Согласно гипотезе Ханса Бете, реакции превращения водорода в гелий регулярно происходят внутри Солнца, выделяя большое количество тепловой энергии. Своего рода водородная бомба возрастом 5 миллиардов лет. С таким же количеством свободного времени.
Три года назад ученые из Даремского университета в Великобритании выдвинули гипотезу о том, что наше светило поглощает темную материю. Предположительно, он служит источником энергии для солнца. Ответ может быть получен в результате исследований на крупнейшем в мире ускорителе — Адронном коллайдере. Для этого необходима хотя бы одна частица темной материи.
Солнечный ветер
Солнечный ветер
Это движение ионизированных частиц прочь от Солнца и к внешней стороне нашей системы. Это интересное явление вызвано различиями в силах гравитации и давления в верхних слоях солнечной короны, которые не могут поддерживать поток ядерной плазмы внутри нашей звезды (существует звездный ветер с других небесных тел). Его скорость может достигать 1200 км/сек, а потоки могут пронизывать все космическое пространство.
Интересный факт: Большинство космических тел в Солнечной системе вращаются вокруг Солнца в одной плоскости (эклиптике) и в одном направлении. И оно совпадает с направлением вращения звезды.
Первооткрывателем этого явления стал американский астрофизик Юджин Паркер. Но задолго до этого несколько ученых предположили выброс заряженных частиц с поверхности звезды. В частности, Людвиг Бирманн из Германии сделал очень интересное наблюдение о хвостах комет. Оказалось, что они всегда направлены в сторону от Солнца. Поэтому они испытывают какое-то физическое воздействие.
Распространение солнечного ветра в космосе
С наступлением космической эры гипотеза Паркера подтвердилась. Потоки солнечного ветра измерялись на станциях: «Луна-1», «Маринер-2». Был даже организован эксперимент с четырьмя спутниками для измерения силы ударной волны (столкновение солнечного ветра с магнитосферой планеты). Эта процедура позволила получить уникальные научные данные с высокой точностью измерений.
Почему светит Солнце?
Многие философы и ученые пытались ответить на этот, казалось бы, простой вопрос. Древнегреческий астроном Анаксагор попал в тюрьму за свою теорию о светящейся сфере из металла. Начало 20-го века внесло ясность с открытием радиоактивности, а затем и возможности контролируемых ядерных и термоядерных реакций.
Именно эти открытия позволили разгадать тайну происхождения самого распространенного явления в природе. Британские ученые Эрнест Резерфорд и Артур Эддингтон первыми предположили, что в недрах нашего Солнца происходят термоядерные реакции. Так солнечный водород постепенно превращается в гелий, высвобождая потоки фотонов, которые мы воспринимаем как свет.
Эрнест Резерфорд
Интересный факт: Цвет нашего солнца — чисто белый, через прохождение слоев земной атмосферы мы видим его: желтым, красным, оранжевым.
