Солнце

Солнце — это сердце нашей родной звездной системы. Оно организует движение 8 планет, нескольких карликовых планет и более миллиона астероидов. Но самое главное, что без солнечной энергии жизнь на Земле не смогла бы ни зародиться, ни развиться до разумных форм.

В этой статье мы подробно поговорим о Солнце: рассмотрим его отражение в культуре разных народов, приведем историю исследований, разберем основные этапы жизненного цикла Солнца и постараемся понять, что представляет собой звезда, вокруг которой обращается наш мир.

Значение Солнца в культуре и религии: мифы и символы

Яркое дневное светило, дающее тепло, было объектом поклонения самых разных древних цивилизаций. В додинастическом периоде Египта, который продолжался с начала V по конец III тысячелетия до нашей эры, покровителем Солнца был Атум — верховный бог и создатель всего сущего. Во время Древнего царства (2 700 – 2 200 год до нашей эры) египетский пантеон возглавил Ра. В отличие от Атума, он не управлял Солнцем, а каждый день путешествовал с ним по небу на своем судне. Образ солнечных кораблей встречается и в других культурах.

• Унетицкой — существовала в Центральной Европе на стыке III и II тысячелетия до нашей эры.
• Скандинавского бронзового века — изображения солнечных судов, датированные 1 700 – 500 годом до нашей эры, были найдены на современной территории Дании и Швеции.
• Британского бронзового века — чаши в виде лодок с нанесенными на них расходящимися золотыми лучами создавали на территории современного Уэльса около 1 300 года до нашей эры.

Ближе к началу I тысячелетия до нашей эры в мифах разных народов корабли начали уступать место солнечным колесницам. Самым известным примером является Гелиос — древнегреческий бог в лучезарной короне, который перемещался по небосклону в золотой квадриге, запряженной четырьмя лошадьми с огненными гривами. В китайской мифологии солнечной колесницей управляли драконы, а в индуистской — Сурья, бог, согревающий мир.

В восточнославянских мифах Солнце представляли в виде небесного огня или раскаленного диска — коловрата. Коловрат был обязательным украшением языческих храмов, военных знамен и торжественных костюмов. Славяне считали Солнце живым существом, которое оберегает мир от холода и тьмы. В зависимости от времени года у него было 4 разных покровителя:

• Хорс (зима) — появлялся во время разгула нечисти и боролся со снежными бурями;
• Ярило (весна) — олицетворял весеннее плодородие и возрождение природы;
• Даждьбог (лето) — был верховным покровителем света и путешествовал по небу с огненным щитом;
• Сварог (осень) — возглавлял второй круг славянского пантеона, помогал людям во время жатвы и подготовки к зиме.

История исследований Солнца

Первый в истории переход от обожествления Солнца к его изучению произошел в VI веке до нашей эры. Античный философ Фалес Милетский предположил, что Солнце по своему составу подобно Земле, но раскалено до такой степени, что может согревать и освещать нашу планету. Спустя век Анаксагор представил его в виде огромного горячего металлического шара, свет от которого по ночам отражает Луна. Он же первым выдвинул предположение, что Солнце и звезды имеют одинаковую природу.

Эратосфен, живший в III веке до нашей эры, попытался рассчитать расстояние от Земли до Солнца и ошибся всего на несколько процентов. В более поздней геоцентрической модели Птолемея расхождение было куда серьезнее — порядка 95%. Прародителем гелиоцентрической модели является Аристарх Самосский. Еще в III веке до н.э. он обозначил Солнце центром мира, вокруг которого обращаются Земля и все остальные планеты.

Однако несколько столетий спустя эта модель уступила научное первенство. Во II веке уже нашей эры была принята геоцентрическая модель, с неподвижной Землей в центре и обращающимися вокруг нее Солнцем и другими планетами, созданная Клавдием Птолемеем. Модель хорошо сочеталась с набирающими силу христианскими догмами, поэтому остальные концепции были решительно отвергнуты. Более 1 000 лет высказывать противоречащие предположения было попросту опасно. Выходу астрономии из кризиса поспособствовал польский ученый Николай Коперник, который в XVI веке вновь предложил вернуться к гелиоцентрической модели мира. Весомый вклад в доказательство этой теории позже внесли Иоганн Кеплер, Исаак Ньютон и Галилео Галилей.

В XVII веке, после того как был изобретен телескоп, начались инструментальные наблюдения Солнца, что позволило быстрыми темпами накапливать научные знания о нем. Галилео Галилей с помощью гелиоскопа (телескопа с затемненной линзой) смог определить, что солнечные пятна находятся на поверхности светила, а не представляют собой пролетающие рядом объекты. Кроме того, он увидел перемещение этих пятен и сделал вывод, что Солнце вращается вокруг своей оси.

Ближе к концу того же века Исаак Ньютон, наблюдая солнечный свет через призму, увидел, что он включает разные цвета. Так было введено раннее понятие спектра. В то же время английский астроном Эдмунд Галлей наблюдал транзит Меркурия по диску Солнца, что натолкнуло его на идею расчета расстояния от Земли до Солнца с помощью тригонометрических методов. В XVII веке среднее расстояние было установлено с точностью более чем 99% относительно современных данных.

В начале XIX века оптический спектр Солнца начали изучать более детально. Сравнивая видимое излучение от разных объектов, астрономы подтвердили гипотезу, что Солнце является звездой, расположенной близко к Земле. В 1868 году английский астроном Норман Локьер, наблюдая спектр во время солнечного затмения, предположил, что в состав Солнца входит неизвестный химический элемент. В честь древнегреческого бога этот элемент был назван гелием. В 1895 году гелий удалось выделить при нагревании минерала клевеита.

На протяжении всего XIX века нерешенной оставалась загадка, откуда Солнце берет так много тепловой энергии. Среди множества гипотез превалировали две.

• Бомбардировка Солнца метеоритами — эта гипотеза отвергалась, так как падение метеоритов не приводит к значительному нагреву Земли.
• Гравитационное сжатие — при сжатии Солнца под воздействием гравитации потенциальная энергия тяготения снижается и преобразуется в тепловую. Долгое время гипотеза считалась общепринятой. Однако в таком случае возраст Солнца составлял бы 20 млн лет, тогда как на Земле уже были найдены горные породы возрастом более 300 млн лет.

Загадка разрешилась в начале XX века благодаря двум ученым. В 1904 году Эрнест Резерфорд предположил, что Солнце нагревается благодаря радиоактивному распаду в его недрах, а спустя год Альберт Эйнштейн вывел закон эквивалентности массы и энергии, дав ключ к разрешению проблемы. В 1920 году английский астрофизик Артур Эддингтон разработал теорию термоядерного синтеза, согласно которой во время преобразования водорода в гелий меняется масса ядер их атомов, что приводит к колоссальному выплеску энергии.

Солнце: состав и основные характеристики

Как уже было упомянуто, Солнце состоит из водорода и гелия. Именно эти два химических элемента являются самыми распространенными во Вселенной — из них состоит 98% всей известной на сегодняшний день материи. Менее 2% состава Солнца приходится на кислород, углерод, железо, неон, азот и ряд других элементов с долей менее 0,1%.

И хотя содержание тяжелых элементов в составе Солнца незначительно, они все же повлияли на его массу — 1,98 * 10³⁰ килограммов. Это почти в 330 000 раз превышает аналогичный показатель у Земли и составляет немногим менее 99,9% совокупной массы Солнечной системы. Более того, Солнце является самой тяжелой звездой в радиусе 7 парсеков (около 23 световых лет).

Диаметр Солнца также поражает воображение. Он равен 1,39 млн километров, что в 4 раза превышает среднее расстояние от Земли до Луны. Интересно, что Солнце имеет форму почти идеального шара, поэтому разница между экваториальным и полярным диаметром составляет менее 10 километров. При объеме в 1,4 * 10¹⁸ км³ внутри Солнца могло бы поместиться 1 000 планет размером с Юпитер и 1,3 млн — размером с Землю. Длина экватора Солнца превышает 4,3 млн километров. Если бы самый быстрый беспилотный реактивный самолет, развивающий скорость 11 800 километров в час, мог пролететь над поверхностью звезды, полный облет занял бы 15 суток.

Светимость Солнца рассчитывают как количество выделяемой энергии за 1 секунду. Согласно расчетам, этот показатель равен 3,8 * 10²⁶ ватт. Если выражать светимость в люменах, единицах измерения светового потока, она составляет 3,75 * 10²⁸ лм. Если собрать все созданные на Земле световые приборы в одном месте, не удастся достичь и мизерной доли светимости Солнца.

Как классифицируется Солнце

Мы считаем Солнце уникальным, и это действительно не самая обычная звезда. Она относится к спектральному классу GV — из-за относительно небольшой массы и недостаточно яркой светимости такие звезды часто называют желтыми карликами. По приблизительным оценкам, из 400 млрд звезд в галактике Млечный путь всего 28 млрд являются желтыми карликами. Иными словами, этот класс составляет всего 7% от общего звездного населения. Важно отметить, что это название неточно отражает цвет Солнца. Из-за рассеивания солнечного света в земной атмосфере мы видим Солнце в желтом, оранжевом или красном цвете. Однако в действительности оно имеет белое свечение, как и у других звезд.

Структура Солнца

Солнце имеет слоистую структуру, которая включает внутреннюю часть и видимую поверхность (атмосферу). Давайте погрузимся в центр звезды и шаг за шагом определим процессы, которые протекают в ее недрах. Продвигаясь дальше, мы будем узнавать, как меняются солнечные слои и их характеристики.

Ядро

По примерным оценкам, на ядро Солнца приходится четверть от его общего диаметра. Это самая горячая и самая плотная часть звезды — температура здесь достигает 15 млн °C, а плотность — 150 г/см³ (почти в 15 раз больше, чем у свинца). Именно в ядре вырабатывается большая часть тепловой энергии звезды — порядка 99%. Столь экстремальные условия запускают процесс термоядерного синтеза, в результате которого протоны в ядрах атомов водорода распадаются и соединяются в ядра гелия. Таким образом, Солнце постепенно «сжигает» водород, поддерживая количество вырабатываемой энергии.

Зона лучистого переноса

Самая обширная область Солнца имеет толщину порядка 300 000 километров, что составляет немногим меньше половины радиуса звезды. Здесь вещество находится в состоянии раскаленной плазмы — по мере продвижения к верхним слоям температура падает с 15 до 2 млн °C. В эту зону, которую также называют радиационной, в большом количестве поступают фотоны — частицы света, образованные в ядре. Так как плотность вещества все еще остается очень высокой (около 20 г/см³) фотоны проходят совсем небольшое расстояние, после чего поглощаются и переизлучаются ионами водорода и гелия. На преодоление зоны лучистого переноса у частицы света уходит в среднем 170 000 лет, тогда как в условиях космического вакуума она прошла бы аналогичное расстояние меньше чем за 1 секунду.

Зона конвекции

Верхний слой Солнца занимает область в 200 000 километров, или около 30% радиуса звезды. Температура в этой зоне очень нестабильна и может меняться в диапазоне от 6 тыс. до 6 млн °C. Из-за крайне низкой плотности плазмы (порядка одной десятитысячной от плотности земного воздуха) теплообмен происходит посредством перемещения потоков самого вещества — это явление называют конвекцией. Элементы в нижней части нагреваются и поднимаются выше, тогда как верхние остывают и опускаются вниз. Границы перемещающихся в разных направлениях потоков газа выглядят как многоугольные гранулы, поэтому верхняя часть поверхности Солнца имеет зернистый вид.

Атмосфера Солнца

• Фотосфера. Это первый слой солнечной атмосферы, который доступен наблюдателям с Земли, то есть его видимая поверхность. Данные о толщине фотосферы разнятся, однако этот показатель точно не превышает 400 километров. В этой области фотоны окончательно перестают испытывать сопротивление и разлетаются во все стороны со скоростью света.
• Хромосфера. Толщина второго внешнего слоя солнечной атмосферы до сих пор точно не установлена — она составляет от 2 000 до 5 000 километров. Свое название область получила из-за легкого красноватого оттенка, возникающего вследствие электромагнитного излучения. Хромосфера может быть хорошо различима во время солнечных затмений.
• Корона. Этот слой отличается особенной нестабильностью, так как состоит в основном из временных явлений — протуберанцев. Относительно холодное вещество, которое достигает короны, выбрасывается наружу и вытягивается под воздействием силовых линий магнитного поля звезды. Самый большой дугообразный протуберанец, зафиксированный в 1946 году, достиг высоты 1,7 млн километров — больше, чем диаметр самого Солнца.

Солнечный ветер

Во время формирования протуберанцев корона Солнца испускает мощные потоки заряженных частиц (электронов, протонов и альфа-частиц), которые называют солнечным ветром. Важно отметить, что для того чтобы покинуть гравитационное поле нашей звезды, частицам необходимо развить очень высокую скорость (порядка 250–1 200 км/с).

Рядом с орбитой Земли средняя скорость солнечного ветра составляет 400 км/ч. Опасность ионизированных потоков заключается в том, что они стремятся «сдуть» атмосферу планеты и могут вывести из строя электрооборудование. Магнитное поле Земли является надежной защитой от солнечного ветра. Перенаправление частиц к магнитным полюсам планеты, где они сталкиваются с атомами азота и кислорода, является причиной ярких полярных сияний.

Солнечные пятна

Как и протуберанцы, солнечные пятна являются временными образованиями, которые возникают под воздействием магнитных потоков, однако они формируются не в короне, а в фотосфере. Из-за неравномерности магнитного поля на поверхности звезды появляются обширные участки с повышенной гравитацией, которые не позволяют горячему веществу подниматься выше. Разница в температуре между солнечными пятнами и окружающим их газом может достигать порядка 1 500 °C, поэтому они затемнены и хорошо различимы на общем фоне звезды. Такие аномальные зоны имеют диаметр до 160 000 километров, а их жизненный цикл длится от нескольких дней до нескольких месяцев.

Вращение и орбита Солнца

Из-за конвективных процессов и инерционной силы Кориолиса на экваторе Солнце вращается вокруг своей оси быстрее, чем на полюсах, делая один оборот за 25,6 и 33,5 земных суток соответственно. Наблюдения за другими желтыми карликами показывают, что на ранних этапах эволюции Солнце вращалось в 10 раз быстрее, генерируя значительно более мощное магнитное поле. Однако именно магнитное поле стало главным фактором постепенного замедления звезды и, как следствие, уменьшения ее активности.

Солнце движется по орбите вокруг центра Млечного пути со скоростью 230 км/с. На полный оборот вокруг сверхмассивной черной дыры Стрелец А уходит примерно 240 млн лет, столько длится 1 галактический год. Солнце удалено от центра галактики на 26 000 световых лет, тогда как радиус Млечного пути составляет от 50 000 до 60 000 световых лет.

Происхождение и возраст Солнца

Солнце сформировалось из гигантского молекулярного облака, возникшего в результате взрыва нескольких сверхновых звезд. Считается, что его размер был столь велик, что из того же вещества зародилось множество соседних звезд на отдалении до 100 световых лет. Взаимодействуя друг с другом, молекулы водорода и гелия собирались в отдельные фрагменты, которые под воздействием силы гравитации постепенно набирали массу и начинали вращаться. Когда была пройдена критическая точка, произошел гравитационный коллапс, и большая часть материи сосредоточилась в центре. Постепенно растущее давление запустило термоядерные реакции, и зародилось Солнце.

Согласно методу радиоизотопного датирования, при котором определяется степень распада радиоактивных изотопов, возраст Солнца составляет около 4,5 млрд лет. Это удалось выяснить по косвенных признакам в процессе изучения самых древних метеоритов. Сейчас Солнце находится в середине первой стадии своей эволюции, которую называют главной последовательностью.

Когда Солнце станет красным гигантом?

Примерно через 5 миллиардов лет водород в ядре Солнца полностью истощится, что приведет к остановке процесса термоядерного синтеза. Оставшийся в ядре гелий не будет встречать сопротивления потоков энергии и начнет сжиматься. Одновременно с этим огромное количество гравитационной потенциальной энергии преобразуется в кинетическую, и внешние части звезды начнут быстро расширяться. В процессе перехода в фазу красного гиганта Солнце последовательно поглотит Меркурий, Венеру и Землю. Диаметр звезды увеличится в 256 раз, а температура упадет примерно до 2 400 °C.

Считается, что после расширения до максимальных размеров в ядре Солнца начнется преобразование гелия в углерод и кислород. Вновь запущенные термоядерные реакции приведут к сжатию, но ненадолго — через 100 млн лет гелий закончится и звезда вернется в состояние красного гиганта. Еще через 20 млн лет мощные тепловые импульсы приведут к сбросу слоев Солнца в космическое пространство. На последней стадии Солнце перейдет в фазу белого карлика — оставшееся небольшое ядро размером с нашу Землю будет остывать в течение многих миллиардов лет.

Солнечный цикл: что такое 11-летний цикл активности?

Наблюдая за Солнцем длительное время, исследователи заметили, что его активность (количество пятен на поверхности) меняется в соответствии с 11-летним циклом. Важно отметить, что это усредненное число и время между максимальными и минимальными значениями в разные годы составляло от 9 до 14 лет. Индикаторами изменения солнечной активности служат полярные сияния, яркость которых достигает своего пика примерно каждые 11 лет.

Как наблюдать Солнце: правила безопасности и инструменты

Прямые наблюдения за Солнцем очень опасны — даже непродолжительный взгляд на звезду может привести к необратимым нарушениям зрения. При использовании биноклей или телескопов необходимо убедиться, что они оснащены специальными световыми фильтрами, которые можно приобрести в астрономических магазинах. Есть и косвенный способ наблюдения за Солнцем. Если навести на звезду бинокль (естественно, не смотря в него) и разместить на небольшом расстоянии лист бумаги, на этом листе появится достаточно подробная проекция Солнца.

5 интересных фактов о Солнце

• Ближе всего к Солнцу располагается Альфа Центавра — тройная звездная система, состоящая из 2 желтых и 1 красного карлика. Последний носит название Проксима Центавра и является ближайшим соседом нашей звезды (актуальное расстояние между светилами составляет 4,2 световых года).
• В расчете на кубический метр ядро Солнца вырабатывает не так уж много энергии — около 280 ватт в секунду. Примерно столько же за час потребляет обычный персональный компьютер средней мощности.
• Каждые 100 млн лет яркость Солнца увеличивается на 1%. Через 1 млрд лет это приведет к тому, что с поверхности Земли испарится почти вся вода. Из-за парникового эффекта условия станут невыносимыми для поддержания многоклеточной жизни, и на планете начнется окончательное массовое вымирание.
• Согласно гипотезе американского физика Фримена Дайсона в будущем развитие технологий позволит построить вокруг Солнца огромную сферу, которая позволит поглощать всю излучаемую звездой энергию и перенаправлять ее для обеспечения нужд человечества.
• Непрерывные потоки солнечного ветра иногда называют еще одним слоем атмосферы Солнца — гелиосферой. Из этого следует, что Земля и все остальные планеты Солнечной системы находятся внутри атмосферы Солнца.

Вопрос-ответ

Солнце это планета или звезда?

Солнце — это звезда класса желтый карлик.

Может ли потухнуть Солнце?

Через 5 миллиардов лет в ядре Солнца закончится сначала водород, а затем и гелий. Остановка термоядерного синтеза приведет к сбросу внешних слоев, и от звезды останется только маленькое постепенно остывающее ядро.

Когда Солнце горячее всего?

Несмотря на разные периоды солнечной активности, средняя температура Солнца колеблется в пределах 0,2%. Каждые 100 млн лет яркость и температура Солнца увеличиваются примерно на 1%.

Чем Солнце отличается от других звезд?

Солнце относится к достаточно редкому типу звезд, составляющему всего 7% в нашей галактике. Больше 75% звезд в Млечном пути составляют красные карлики — маленькие звезды, светимость которых может быть в несколько тысяч раз меньше, чем у Солнца.

Как влияет расстояние от Земли до Солнца на климат?

Земля находится в так называемой зоне обитаемости, благодаря чему на ней может существовать жидкая вода — необходимое условие для зарождения жизни. На смену времен года влияет не изменяющееся расстояние от Земли до Солнца, а угол наклона вращения оси нашей планеты, благодаря которому солнечные лучи попадают на поверхность под разным углом.

Изображение на обложке: Freepik