Солнечная корона

Содержание:

Внутреннее строение Солнца
Элементы структуры
Солнце, погода и климат.
Пятна на Солнце
Проблема нагрева солнечной короны
Хромосфера Солнца
Галилео Галилей о солнечных пятнах.
Термосфера
Проблема нагрева солнечной короны
Элементы структуры

Внутреннее строение Солнца

Строение Солнца. В центре Солнца находится солнечное ядро. Фотосфера — это видимая поверхность Солнца, которая и является основным источником излучения. Солнце окружает солнечная корона, которая имеет очень высокую температуру, однако она крайне разрежена, поэтому видима невооружённым глазом только во время полного солнечного затмения.

Солнечное ядро

Центральная часть Солнца с радиусом примерно 150—175 тыс. км (то есть 20—25 % от радиуса Солнца), в которой идут термоядерные реакции, называется солнечным ядром. Плотность вещества в ядре составляет примерно 150 000 кг/м³, а температура в центре ядра — более 14 млн К. Анализ данных, проведённый миссией SOHO, показал, что в ядре скорость вращения Солнца вокруг своей оси значительно выше, чем на поверхности

Зона лучистого переноса

Над ядром, на расстояниях примерно от 0,2—0,25 до 0,7 радиуса Солнца от его центра, находится зона лучистого переноса. В этой зоне перенос энергии происходит главным образом с помощью излучения и поглощения фотонов. При этом направление каждого конкретного фотона, излучённого слоем плазмы, никак не зависит от того, какие фотоны плазмой поглощались, поэтому он может как проникнуть в следующий слой плазмы в лучистой зоне, так и переместиться назад, в нижние слои. Из-за этого промежуток времени, за который многократно переизлучённый фотон (изначально возникший в ядре) достигает конвективной зоны, может измеряться миллионами лет. В среднем этот срок составляет для Солнца 170 тыс. лет/

Конвективная зона Солнца

Ближе к поверхности Солнца температуры и плотности вещества уже недостаточно для полного переноса энергии путём переизлучения. Возникает вихревое перемешивание плазмы, и перенос энергии к поверхности (фотосфере) совершается преимущественно движениями самого вещества. С одной стороны, вещество фотосферы, охлаждаясь на поверхности, погружается вглубь конвективной зоны. С другой стороны, вещество в нижней части получает излучение из зоны лучевого переноса и поднимается наверх, причём оба процесса идут со значительной скоростью. Такой способ передачи энергии называется конвекцией, а подповерхностный слой Солнца толщиной примерно 200 000 км, где она происходит, — конвективной зоной. По мере приближения к поверхности температура падает в среднем до 5800 К, а плотность газа до менее 1/1000 плотности земного воздуха.

Элементы структуры

Русский космос: проект «корона» и другие разработки грц макеева

Основные структуры, наблюдаемые в короне — корональные дыры, корональные конденсации, корональные арки, корональные петли, лучи, перья, опахала, шлемы, яркие точки. Корональные дыры являются источниками особенно сильного солнечного ветра. Корональные арки представляют собой петлю или систему петель магнитного поля с плазмой повышенной плотности. В солнечной короне нередко происходят масштабные явления — корональные выбросы массы.

Во время затмений при наблюдениях в белом свете корона видна как лучистая структура, форма и структура которой зависит от фазы солнечного цикла. 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 щёточки. При этом общая яркость короны уменьшается.

Вытянутая форма короны во время полного солнечного затмения 1 августа 2008 года (близко к минимуму между 23-м и 24-м циклами солнечной активности).

Изменения солнечной короны в солнечном цикле обнаружил в 1897 году пулковский астроном Алексей Павлович Ганский.

Солнце, погода и климат.

Солнечная система

Приток солнечного света и тепла к вращающейся Земле приводит к суточному изменению температуры почти на всех широтах, кроме полярных шапок, где ночи и дни могут длиться вплоть до полугода. Зато здесь существеннее всего годичный ритм солнечной облученности, также заметный на всей Земле, кроме экваториальной зоны, где ощущается только смена дня и ночи. Суточные и годичные изменения освещенности Земли солнечными лучами приводят к сложной периодической изменчивости нагрева в различных районах Земли. Неодинаковый нагрев разных участков суши, океана и атмосферы приводит к возникновению мощных струйных течений в океанах, а также к ветрам, циклонам и ураганам в тропосфере. Эти перемещения вещества сглаживают перепады температуры и при этом оказывают сильное влияние на погоду в каждой точке Земли и формируют климат на всей планете. Можно ожидать, что устоявшийся в течение тысячелетий тепловой режим на Земле должен обеспечить исключительно точную повторяемость погодных явлений в каждом заданном регионе. В некоторых местах это действительно так, Например, со времен древней истории известно, что разливы Нила, связанные с осадками в его верховьях, как часы начинаются в один и тот же день тропического года. Однако во многих других местах при сохранении общих закономерностей часто наблюдаются заметные отклонения от среднего. Многие из них отражены в календарях разных народов, в частности и в русском (май холодный – год плодородный, если на Евдокию курочка может из лужицы напиться, лету теплому быть и т.д.). Однако, даты, например, крещенских и введенских морозов – более устойчивы, а рождественских – менее. Из геологии известно о нескольких ледниковых периодах. Все эти аномалии, хотя бы частично, могут быть связаны с солнечной активностью.

Эдвард Кононович

Пятна на Солнце

Солнечная активность

На ярком фоне фотосферы наблюдаются темные пятна. Такое пятно представляет собой довольно сложное образование, состоящее из центральной темной области, называемой тенью, и окаймляющей ее более светлой области с вытянутыми вдоль радиуса пятна темными и светлыми образованиями, получившей название полутени.

Размеры солнечных пятен крайне разнообразны. В небольшие телескопы примерно с 50-кратным увеличением уже можно видеть пятна с угловым поперечником в 4—5″. Они выглядят небольшими черными точками без признаков полутени, но в действительности их линейные размеры близки к 3000—3500 км. Линейные поперечники пятен с угловыми размерами около 18″ сравнимы с диаметром нашей Земли (примерно 13 000 км). У наиболее же крупных, но редко появляющихся пятен угловые диаметры достигают 4′, т. е. 0,13 диаметра Солнца, и следовательно, их линейные размеры приближаются к 180 000 км! Такие крупные пятна хорошо видны даже невооруженным глазом (конечно, только сквозь темный светофильтр) .

На фоне ослепительно яркой фотосферы пятно нам кажется черным. Однако измерения показали, что яркость пятен в 5—10 раз меньше яркости окружающей горячей фотосферы, а их реальный цвет — красноватый. Эти измерения позволили оценить температуру Т„ вещества в тени пятен. Поскольку поверхность пятен площадью 1 м2 излучает в 5—10 раз меньше энергии, чем такой же участок фотосферы с температурой Т = 6000 К, то, используя закон Стефана — Больцмана, можно записать:

откуда следует, что температура пятен заключена в пределах от 3400 до 4000 K:

На фотографиях солнечных пятен отчетливо заметна структура распределения темных и светлых областей в полутени пятна, похожая на распределение железных опилок в магнитном поле, причем темные области вытянуты вдоль магнитных линий. Наличие сильного магнитного поля в пятнах подтверждается и спектральными наблюдениями. В некоторых пятнах магнитная индукция достигает 0,5 Тл и выше, в то время как в среднем в фотосфере она составляет 10-4-10-3 Тл. В центре пятна вектор магнитной индукции направлен перпендикулярно к поверхности Солнца, а на краях, в полутени он идет вдоль поверхности и его значение меньше.

Сильное магнитное поле пятен является причиной их низкой температуры. Это объясняется тем, что вещество фотосферы представляет собой плазму, состоящую из заряженных частиц. Сильное магнитное поле тормозит движение плазмы, замедляет ее конвенцию и тем самым ослабляет поступление энергии из внутренних слоев Солнца. В результате температура вещества в области пятен уменьшается и пятна выглядят темными на фоне яркой фотосферы.

Обычно пятна появляются группами. В группе самое большое головное пятно расположено впереди по направлению вращения Солнца; оно имеет полярность магнитного поля, противоположную полярности следующего за ним меньшего пятна. Кроме того, головное пятно в северном полушарии Солнца имеет полярность, противоположную полярности головного пятна южного полушария.

Наряду с пятнами на фотосфере, вблизи края солнечного диска сравнительно часто видны факелы — светлые образования довольно сложной волокнистой структуры. Некоторые факелы живут неделями. Их яркость незначительно превышает яркость фотосферы, а температура всего лишь на 200— 300 К выше ее температуры.

Проблема нагрева солнечной короны

Проблема нагрева солнечной короны остаётся нерешённой. Существует много предположений относительно необычно высокой температуры в короне по сравнению с хромосферой и фотосферой. Известно, что энергия приходит из нижележащих слоёв, включающих, в частности, фотосферу и хромосферу. Вот только некоторые из элементов, возможно, участвующих в нагреве короны: магнитозвуковые и альфвеновские волны, магнитное пересоединение, микровспышки (англ. Nanoflares) в короне.

Возможно, механизм нагрева короны тот же, что и для хромосферы. Поднимающиеся из глубины Солнца конвективные ячейки, проявляющиеся в фотосфере в виде грануляции, приводят к локальному нарушению равновесия в газе, которое приводит к распространению акустических волн, движущихся в различных направлениях. При этом хаотическое изменение плотности, температуры и скорости вещества, в котором распространяются эти волны, приводит к тому, что меняется скорость, частота и амплитуда акустических волн, причём изменения могут быть столь высокими, что движение газа становится сверхзвуковым. Возникают ударные волны, диссипация которых и приводит к нагреву газа.

Один из возможных механизмов нагрева Солнечной короны — испускание Солнцем аксионов или аксионоподобных частиц, которые превращаются в фотоны в областях с сильным магнитным полем.

Хромосфера Солнца

Происхождение названия этой части солнечной атмосферы связано с её красноватым цветом, вызванным тем, что в её видимом спектре доминирует красная H_α (H-альфа) линия излучения водорода. Верхняя граница хромосферы не имеет выраженной гладкой поверхности, из неё постоянно происходят горячие выбросы, называемые спикулами (из-за этого в конце XIX века итальянский астроном Анджело Секки, наблюдая хромосферу в телескоп, сравнил её с горящими прериями). Температура хромосферы увеличивается с высотой от 4000 до 15 000 градусов. 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. Температура её выше, чем у нижней хромосферы, водород находится преимущественно в ионизованном состоянии, в спектре видны линии водорода, гелия и кальция.

Плотность хромосферы Солнца невелика, поэтому яркость её недостаточна, чтобы наблюдать её в обычных условиях. Но при полном солнечном затмении, когда Луна закрывает яркую фотосферу, расположенная над ней хромосфера становится видимой. Её также можно наблюдать в любое время с помощью специальных узкополосных оптических фильтров.

Изображение Солнца, полученное при наблюдении в телескоп с фильтром H_α, отчётливо показывает его хромосферу. (C) NASA.

Для наблюдения различных структур, специфических для хромосферы Солнца лучше всего подходит фильтр, выделяющий излучение в какой-то яркой хромосферной линии, то есть с длиной волны, на которую приходится значительная часть излучаемого (или поглощаемого для линий поглощения) хромосферой света. Как уже указано, это в первую очередь красная линия H-альфа (H_α) из серии Бальмера с длиной волны 656,3 нм, снимок Солнца в которой получается красноватым. Также широко используются фильтры двух фиолетовых фраунгоферовых линий ионизованного кальция, снимок Солнца в свете каждой из них получается синеватым: линия Ca II K (393,4 нм) и линия Ca II H (396,8 нм). Основные хромосферные структуры, которые видны в этих линиях, это:

Хромосферная сетка, покрывающая всю поверхность Солнца и состоящая из линий, окружающих ячейки супергрануляции размером до 30 тысяч км в поперечнике. Она лучше всего видна в линии H_α и Ca II K.
Флоккулы, светлые облакоподобные образования, чаще всего приуроченные к районам с сильными магнитными полями — активным областям, часто окружают солнечные пятна. Лучше всего видны в линии H_α.
Волокна и волоконца (фибриллы) — тёмные линии различной ширины и протяжённости, как и флоккулы, часто встречаются в активных областях и лучше всего видны в линии H_α.

Галилео Галилей о солнечных пятнах.

Галилей родился в Пизе (Северная Италия) в 1564. В 1609 он одним из первых направил на небо свой крохотный телескоп. В наше время каждый школьник из очкового стекла и обыкновенной лупы сам себе может сделать даже лучший инструмент. Однако поразительно, как много нового увидел Галилей в свой весьма несовершенный телескоп: спутники Юпитера, горы и впадины на Луне, фазы Венеры, пятна на Солнце, звезды в Млечном Пути и многое другое. Будучи приверженцем идей Коперника о центральном положении Солнца в нашей планетной системе, он стремился подтвердить его идеи наблюдениями. В 1632 Галилей издал свою знаменитую книгу Диалог о двух системах мира. Фактически это была первая научно-популярная книга, написанная блестящим литературным языком, причем не по-латыни, как было тогда принято среди ученых, а на понятном всем соотечественникам Галилея итальянском языке. Эта книга оказалось смелой и рискованной поддержкой учения Коперника, за что вскоре Галилей был привлечен инквизицией к суду. Наблюдения Солнца Галилей, естественно, надеялся использовать как наиболее убедительный аргумент. Поэтому в 1613 он издал в виде прекрасных гравюр три письма под общим названием Описания и доказательства, относящиеся к солнечным пятнам. Эти письма были ответом на нелепые доводы аббата Шейнера, который также наблюдал солнечные пятна, но принял их за планеты, которые, по его мнению, двигались в направлении, предписанном системой Птолемея (геоцентрической), а потому якобы ее подтверждавшие. Галилей указал на ошибку Шейнера, который не заметил, что его труба переворачивала изображение. Затем он доказал, что пятна принадлежат Солнцу, которое, как оказалось, вращается. Галилей даже высказал предположение, оказавшееся верным, но доказать которое удалось только через два с половиной столетия, о том, что пятна состоят из газов более холодных и прозрачных, чем атмосфера Солнца. Наконец, сравнив черноту пятен с темнотой неба за краем изображения Солнца и заметив, что Луна темнее фона неба вблизи Солнца, он установил, что солнечные пятна ярче самых светлых мест на Луне. Это сочинение Галилея – первое серьезное научное исследование, посвященное физической природе Солнца. Вместе с тем, это сочинение – блестящий образец художественной литературы, иллюстрированный прекрасными гравюрами самого автора.

Термосфера

Термосфера расположена над мезосферой и ниже экзосферы. Толщина этого слоя составляет около 513 км, что намного больше, чем у всех нижних слоёв вместе взятых.

Хотя термосфера считается частью Земной атмосферы, плотность воздуха настолько низкая, что бóльшую часть слоя ошибочно рассматривают как космическое пространство. Эта идея подкрепляется тем фактом, что в слое недостаточно молекул для перемещения звуковых волн.

В термосфере ультрафиолетовое излучение вызывает явления фотоионизации молекул, т. е. образование ионов в результате контакта фотона с атомом. Это явление ответственно за создание ионосферы, расположенной внутри термосферы. Ионосфера играет важную роль в распространении радиоволн в отдалённые районы Земли.

Именно в термосфере спутники вращаются вокруг Международной космической станции (МКС). Кроме того, именно в термосфере происходит северное сияние.

Северное сияние происходит при столкновении солнечных частиц с плотностью Земной атмосферы.

Читайте подробнее про Северное сияние.

Слово «термосфера» происходит от греческого thermos (что значит «тепло»), что отражает тот факт, что температура в этом слое чрезвычайно высока.

Граница между термосферой и экзосферой называется термопаузой.

Состав термосферы

В отличие от слоёв ниже, где смешиваются газы, в термосфере частицы редко сталкиваются, что приводит к равномерному разделению элементов. Кроме этого, большинство молекул в термосфере разрушаются солнечным светом.

Верхние части термосферы состоят из атомарного кислорода, атомарного азота и гелия.