Поверхность и атмосфера Солнца

Фотосфера Солнца

За конвективной зоной начинается фотосфера - тонкий (около 700 км) внешний слой. Он также непрозрачен, но выше него - только прозрачная солнечная атмосфера. Поэтому светящийся диск Солнца - это фотосфера, именно излучение ее поверхности мы наблюдаем.

Температура поверхности такова (5770 К), что она излучает непрерывный спектр с максимумом в желто-зеленой области. Именно к этой области спектра максимально чувствителен человеческий глаз (природа приспособила зрение человека к основному в нашей жизни источнику света). Излучение поверхности Солнца, точно так же, как, например, излучение обычной лампы накаливания, подчиняется законам излучения абсолютно черного тела. Мы знаем, что если на такую лампу подать меньшее напряжение, свет от нее станет красноватым и тусклым (максимум непрерывного спектра в оранжевой части). А если большее - белым и ярким (максимум непрерывного спектра в зеленой части). Точно так же и звезды, бывают красные и холодные, с малой светимостью (кроме гигантов). Бывают белые и даже голубые, значительно более горячие, чем Солнце.

Видимый нами свет излучается отрицательными ионами водорода. Они же его и поглощают, поэтому с глубиной фотосфера быстро теряет прозрачность. Вот почему видимый край Солнца кажется нам очень резким. Солнце - газовый шар, не имеющий четких границ. Однако мы видим его резко очерченным потому, что практически все излучение Солнца исходит из фотосферы.

На поверхности Солнца можно разглядеть много деталей. Вся фотосфера Солнца состоит из светлых зернышек, пузырьков. Эти зернышки называются гранулами. Размеры гранул невелики, 1000-2000 км (около 1" дуги), расстояние между ними - 300-600 км. На Солнце наблюдается одновременно около миллиона гранул. Каждая гранула существует несколько минут. Гранулы окружены темными промежутками, как бы сотами. В гранулах вещество поднимается, а вокруг них - опускается. Гранулы создают общий фон, на котором можно наблюдать несравненно более масштабные образования, такие, как протуберанцы, факелы, солнечные пятна и др.

Строение внешних слоев Солнца

Хромосфера

Хромосферу Солнца, обнаруженную во время полных солнечных затмений, теперь астрономы наблюдают каждый день в современные телескопы. Но без специальной оптики она видна только в моменты полных солнечных затмений. Луна полностью закрывает фотосферу, и хромосфера вспыхивает, как тонкое кольцо ярко-красного цвета, окруженное жемчужно-белой короной. Хромосфера получила свое название именно из-за этого явления (греч. "окрашенная сфера").

Размеры хромосферы 10-15 тысяч километров, а плотность вещества в сотни тысяч раз меньше, чем в фотосфере. Температура в хромосфере быстро растет, достигая в верхних ее слоях десятков тысяч градусов. Здесь нагрев происходит, как в микроволновой печи, только гигантских размеров.

Солнечная корона

Полное солнечное затмение 11 августа
1999 г. Фото В. Хондырева, обработка
А. Юферева. Детально проработана
структура солнечной короны.

Самая внешняя, самая разреженная и самая горячая часть солнечной атмосферы - корона. Она прослеживается от солнечного лимба до расстояний в десятки солнечных радиусов. Несмотря на сильное гравитационное поле Солнца, это возможно благодаря огромным скоростям движения частиц, составляющих корону. Корона имеет температуру около миллиона градусов.

Яркость короны в миллионы раз меньше, чем фотосферы, поэтому корону можно видеть только во время полного солнечного затмения, либо с помощью коронографа. Наиболее яркую ее часть принято называть внутренней короной. Она удалена от поверхности Солнца на расстояние не более одного радиуса. Внешняя корона Солнца имеет протяженные границы.

Важной особенностью короны является ее лучистая структура. Корональные лучи имеют самую разнообразную форму. С одиннадцатилетним циклом Солнца меняется общий вид солнечной короны. В эпоху минимума корона имеет округлую форму, она как бы "причесана". В эпоху максимума корональные лучи раскинуты во все стороны.


Вспышки и протуберанцы

Активные области, выбросы,
рентгеновские вспышки в рентгеновоском
диапазоне. Спутник Yohkoh

Часто, особенно когда на Солнце имеются большие группы пятен, в хромосфере возникают вспышки. Они похожи на огромные взрывы, длящиеся всего лишь несколько минут. За несколько минут в маленькой области высвобождается энергия порядка 100 000 миллиардов кВт/час: столько же тепла поступает от Солнца на Землю в год! Причины вспышек пока еще плохо изучены; по-видимому, они вызываются резким изменением магнитного поля в хромосфере. Вспышки вызывают изменения в магнитном поле Земли и могут даже повредить системы электроснабжения.

Другим проявлением солнечной активности является появление плазменных образований в магнитном поле солнечной атмосферы - волокон. Если эти волокна видны на краю Солнца, то они наблюдаются как протуберанцы.

Протуберанец на Солнце

Протуберанцами называются огромные образования в короне Солнца. Плотность и температура протуберанцев такая же, как и вещества хромосферы, но на фоне горячей короны протуберанцы - холодные и плотные образования. Температура протуберанцев около 20 000 К. Некоторые из них существуют в короне несколько месяцев, другие, появляющиеся рядом с пятнами, быстро движутся со скоростями около 100 км/с и существуют несколько недель.

Размеры протуберанцев могут быть разными. Типичный протуберанец имеет высоту около 40 000 км и ширину около 200 000 км. Дугообразные протуберанцы достигают размеров 800 000 км. Зарегистрированы и рекордсмены среди протуберанцев, их размеры превышали 3 000 000 км. 

Корональные петли и арки высотой в сотни тысяч километров состоят из отдельных тонких петелек, скрученных друг с другом, как нити в веревке. Выбросы плазмы из глубинных слоев Солнца, согласно последним исследованиям, являются основной причиной разогрева солнечной короны.

Солнечные пятна

Детали около темной центральной части
солнечного пятна размером с планету

Впервые пятна на Солнце в телескоп наблюдал Галилей в 1610 году. Но и до него астрономы уже наблюдали невооруженным глазом наиболее крупные группы пятен.

Пятна на Солнце - очевидный признак его активности. Это более холодные области фотосферы. Температура пятен около 3500 К, поэтому на ярком фоне фотосферы (с температурой около 6000 К) они кажутся темнее. Образование пятен связано с магнитным полем Солнца. Небольшие пятна имеют в поперечнике несколько тысяч километров. Размеры крупных пятен достигают 100 000 км; такие пятна существуют около месяца. Размеры солнечных пятен часто превышают размеры Земли.

Солнечные пятна имеют внутреннюю структуру: более темную центральную часть - ядро - и окружающую ее полутень. Солнечные пятна часто образуют группы, которые могут занимать значительную площадь на солнечном диске. Так, 18 сентября 2000 года была зарегистрирована группа пятен, общая площадь которой равнялась 6,5 миллиардам км2. На этой территории поверхность земного шара поместится целых 13 раз!

Установлено, что пятна - места выхода в атмосферу сильных магнитных полей. Поля уменьшают поток энергии, исходящий из ядра, поэтому в месте их выхода на поверхность температура падает. Пятна обычно возникают группами.

Пятна на Солнце часто бывают окружены светлыми зонами, называемыми факелами. Они горячее атмосферы примерно на 2000 К и имеют ячеистую структуру (величина каждой ячейки - около 30 тысяч километров). Часто встречаются факельные поля, внутри которых пятен нет.

Факелы образуются в результате конвекции из глубоких слоев Солнца. Они существуют недели и месяцы. В некоторых факельных полях между гранулами появляется черная точка, она начинает быстро расти и на следующий день превращается в пятно с резкой границей. Через 3-4 дня вокруг пятна образуется полутень. К десятому дню площадь пятна достигает максимума, после этого оно начинает уменьшаться и, наконец, исчезает. В группе пятен сначала исчезают самые мелкие пятна.

Солнечные пятна можно увидеть с помощью небольшого телескопа, приспособив его для получения проекция изображения Солнца. Телескоп направляется на Солнце, после чего, например, на листе бумаги, расположенном на расстоянии 10-20 см от окуляра, можно увидеть четкое изображение солнечного диска. Остерегайтесь смотреть непосредственно в окуляр!

После семнадцатилетних наблюдений Генрих Швабе установил, что количество пятен на Солнце с течением времени меняется. В годы минимума пятен на поверхности Солнца может не быть совсем, в годы максимума их число измеряется десятками. Максимумы и минимумы чередуются в среднем каждые 11 лет (от 7 до 17 лет), последний максимум солнечной активности был в 2000 году. Возможно, существуют и более длительные циклы солнечной активности.

В начале ХХ века Д. Хейл обнаружил, что магнитные полярности первых, ведущих, пятен и хвостовых пятен в северном и южном полушариях Солнца противоположны и меняются полюсами в каждом новом цикле. Поэтому полный цикл солнечной активности происходит в течение 22 лет.

Цикл активности солнечных пятен имеет прямое отношение к земному климату. У некоторых деревьев толщина колец имеет одиннадцатилетний цикл. В конце XVII - начале XVIII века, когда пятен практически не было, в Европе стояла очень холодная погода.

Солнечный ветер

Солнце является источником постоянного потока частиц. Нейтрино, электроны, протоны, альфа-частицы, а также более тяжелые атомные ядра все вместе составляют корпускулярное излучение Солнца. Значительная часть этого излучения представляет собой более или менее непрерывное истечение плазмы, так называемый солнечный ветер, являющийся продолжением внешних слоев солнечной атмосферы - солнечной короны. Вблизи Земли его скорость составляет обычно 400-500 км/с. Поток заряженных частиц выбрасывается из Солнца через корональные дыры - области в атмосфере Солнца с открытым в межпланетное пространство магнитным полем.

В дни солнечных бурь солнечный ветер резко усиливается. Он вызывает полярные сияния и магнитные бури на Земле, а космонавтам не следует в это время выходить в открытый космос. Под воздействием солнечного ветра хвосты комет всегда направлены в сторону от Солнца. Космический аппарат "Вояджер" обнаружил солнечный ветер даже за орбитой Плутона. Фактически, мы живем в образованной солнечным ветром гигантской гелиосфере, хоть и защищены от нее магнитным полем Земли.