Сонце: величезний енергетичний центр нашої сонячної системи, його структура, вплив та майбутнє крізь призму наукових досліджень

admin

Сонце є основним джерелом енергії для землі і всієї Сонячної системи. Без нього життя на нашій планеті була б неможлива. Невипадково у багатьох найдавніших цивілізацій (наприклад, у єгиптян) саме бог Сонця вважався верховним божеством, якому всі інші Боги були підпорядковані. Однак сучасна наука може розповісти про нашому світилі значно більше, ніж давньоєгипетські міфи. Які процеси протікають всередині Сонця, яка історія цієї зірки, і яке майбутнє чекає її через мільярди років?

Загальна характеристика

Сонце – це величезний розігрітий куля з газу, чий діаметр оцінюється в 1,392 млн. км. Це в 109 разів більше діаметра нашої планети. На зірку доводиться 99,87% всієї маси Сонячної системи.

З Землі здається, що світило має жовтий колір, однак це ілюзія, пов’язана з впливом атмосфери нашої планети на сонячне світло. Насправді Сонце випромінює майже білий світ.

Сонце – це одна із сотень мільярдів зірок галактики Чумацький шлях. Найближча до Сонця зірка – це Проксима Центавра, знаходиться від неї на відстані 4,24 світлових років. Для порівняння, відстань від Землі до Сонця, що приймається за астрономічну одиницю (а. е. ), сонячне світло проходить всього за 8,32 хвилин.

За астрономічної класифікації Сонце відноситься до типу «жовтих карликів». Це означає, що воно не так і велика у порівнянні з розмірами інших зірок, але досить яскраво світить. Наше світило входить 15% найяскравіших зірок Чумацького Шляху. Разом з тим в галактиці є зірки, чий радіус перевищує сонячний в 2000 разів!

Джерелом тепла, випромінюваного зіркою, є термоядерні реакції. В центрі Сонця атоми водню зливаються один з одним, в результаті чого утворюється атом гелію і деяку кількість енергії. Це реакція називається протон-протонним циклом, на нього припадає близько 98% енергії, що виробляється світилом. Однак мають місце й інші реакції, в ході яких «згоряють» такі елементи, як гелій, вуглець, кисень, неон і кремній, а утворюються метали (залізо, магній, кальцій, нікель) і інші елементи (сірка). Всі ці процеси називають зірковим нуклеосинтезом.

Вплив Сонця на навколишні небесні тіла величезна. Сонячний вітер (частинки речовини, випромінюваного зіркою), домінують в міжпланетному просторі на відстані до 100-150 а. е. від світила. Вважається, що гравітація нашої зірки визначає орбіти тіл, що знаходяться навіть на відстані світлового року від неї (в хмарі Оорта).

Саме Сонце також обертається навколо своєї осі. Так як вона складається з газів, різні його верстви обертаються з різною кутовою швидкістю. Якщо в районі екватора період обертання становить 25 днів, то на полюсах він збільшується до 34 днів. Більш того, останні дослідження показують, що внутрішні області здійснюють оборот значно швидше, ніж зовнішня оболонка.

Склад Сонця

Основними елементами, з яких складається наша зірка, є водень (73,5% сонячної) і гелій (24,9%). На всі інші елементи доводиться близько 1,5%.

Хімічний склад світила непостійний – він змінюється через перетворень, що відбуваються під час термоядерних реакцій. На зорі свого існування Сонце майже повністю складалося з водню. В ході термоядерних реакцій цей елемент перетворюється в гелій, тому його масова частка падає. Гелій також перетворюється в більш важкі елементи, проте, в цілому його частка зростає. Зміни хімічного складу зірок впливають на процеси їх еволюції.

Будова Сонця

Звичайно, у Сонця, що складається з газів, немає звичної нам твердої поверхні. Значну її частину становить атмосфера, яка по мірі руху до центру світила ущільнюється. Тим не менш прийнято виділяти 6 «шарів», з яких складається зірка. Три з них є внутрішніми, а наступні три утворюють сонячну атмосферу.

Внутрішня будова Сонця

Внутрішня структура нашої зірки включає наступні шари:

Ядро

У центрі світила розташовується ядро. Саме в цій області йдуть термоядерні реакції. Радіус ядра оцінюється в 150 тис. км. Температура тут не опускається нижче 13,5 млн градусів, а тиск доходить до 200 млрд атм. З-за цього речовина тут знаходиться в дуже щільному стані. Його щільність становить 150 г/куб. см. Це в 7,5 разів вище щільності золота. Саме такі умови необхідні для протікання термоядерних реакцій. Треба розуміти, що саме в ядрі виробляється енергія, яку випромінює Сонце. Всі інші області зірки лише обігріваються ядром, але самі її не виробляють.

Зона променистого перенесення

Над ядром розташовується зона радіації, яку також називають зоною променистого перенесення. Її зовнішня межа проходить по сфері радіусом 490 тис. км. Температура поступово падає від позначки в 7 млн градусів на кордоні з ядром до 2 млн градусів у зовнішнього кордону. Також і щільність речовини знижується з 20 до 0,2 г/куб. см. Тим не менше з-за високої щільності атоми водню не можуть рухатися. Тобто якщо при нагріванні, наприклад, води її теплі шари піднімаються на поверхню, переносячи туди тепло, то тут такий механізм не працює – речовина залишається нерухомим. Єдиний спосіб енергії пробратися через зону радіації – це тривала ланцюжок поглинань і випромінювань

Зона конвективного переносу

Вище розташовується зона конвективного переносу товщиною 200 тис. км. Тут щільність вже невисока, і речовина активно перемішується – нагріті гази піднімаються нагору, віддають тепло, холонуть і знову занурюються вниз. Швидкість газових потоків може досягати 6 км/с. Саме це рух породжує магнітне поле Сонця. Температура на поверхні падає до 6000° С, а щільність на три порядки нижче щільності земної атмосфери.

Атмосфера
Фотосфера
Хромосфера
Корона

Верхній шар атмосфери називається короною. Її верхня межа досі чітко не визначена. Речовина в ній вкрай разрежено, однак температура в ній може досягати декількох мільйонів градусів. На сьогодні вченим не вдалося повністю пояснити, за рахунок яких механізмів сонячна корона розігрівається до такої температури. У короні можна спостерігати протуберанці – викиди сонячної речовини, чия висота над поверхнею зірки може досягати 1,7 млн км.

Магнітне поле Сонця

У Сонця є магнітне поле. Дослідники виділяють глобальне поле зірки і безліч локальних полів.

Глобальне поле має циклічністю. Його напруженість коливається з частотою 11 років, при цьому спостерігаються зміни в частоті появи сонячних плям. Такий цикл називають «циклом Швабе» за прізвищем вченого, помітив ще в XIX столітті, що кількість сонячних плям на поверхні світила змінюється циклічно. Лише пізніше стала очевидна зв’язок цього явища з процесами в зоні конвективного переносу і коливаннями магнітного поля. На початку XX століття стало зрозуміло, що за один цикл Швабе полярність магнітного поля змінюється на протилежне. Тобто Сонцю потрібна два 11-річних циклу, щоб магнітне поле повернулося до початкового стану. У зв’язку з цим виділяють 22-річний цикл, відомий як «цикл Хейла».

У різних районах Сонця можуть спостерігатися і малі, тобто локальні магнітні поля. Їх напруженість може в тисячі разів перевищувати напруженість глобального поля, проте час їх існування рідко перевищує декілька десятків днів. Особливо часто локальні поля спостерігаються в районі сонячних плям. Справа в тому, що ці плями якраз і є тими точками, через які магнітні поля з внутрішніх областей виходять назовні.

Життєвий цикл Сонця

Вік Сонця оцінюється вченими в 4,5 млрд років. Сформувалося воно з газопилової хмари, яка поступово стискалося під дією власної гравітації. З цього ж хмари виникли планети і майже всі інші об’єкти в Сонячній системі. Коли в центрі стискального хмари щільність, а разом з нею температура і тиск зросли до критичних значень, почалася термоядерна реакція – так засвітилось Сонце.

В ході термоядерних реакцій маса Сонця поступово зменшується. Кожну секунду 4 млн тон сонячного речовини перетворюється на енергію. Разом з тим зірка розігрівається. Кожен 1,1 млрд років яскравість Сонця збільшується на 10%. Це означає, що раніше температура на Землі була значно нижче, ніж зараз, а на Венері, можливо, була рідка вода або навіть життя (зараз середня температура на поверхні Венери складає 464° С). У майбутньому ж яскравість Сонця буде зростати, що буде вести до зростання температури на Землі. Через 3,5 млрд років яскравість світила зросте на 40%, і умови на Землі стануть такими ж, як і на Венері. З іншого боку, Марс також розігріється і стане більш придатним для життя. Таким чином, в ході еволюції зірки так звана «зона населеності», поступово віддаляється від Сонця.

Поступово через вигоряння водню ядро буде зменшуватися в розмірах, а вся зірка в цілому – збільшуватися. Через 6,4 млрд років водень в ядрі закінчиться, радіус зірки у цей момент буде більше сучасного в 1,59 разів. Протягом 700 млн років зірка розшириться до 2,3 сучасних радіусів.

Далі зростання температури призведе до того, що термоядерні реакції горіння водню запустяться вже не в ядрі, а в оболонці зірки. З-за цього вона різко зросте, і її зовнішні шари будуть досягати сучасної земної орбіти. Однак до того моменту світило втратить значну частину своєї маси (28%), що дозволить нашій планеті перейти на більш віддалену орбіту. Сонце в цей період свого життя, який триватиме 10 млн років, буде червоним гігантом.

Після із-за зростання температури в ядрі до 100 млн градусів там почнеться активна реакція горіння гелію – «гелієва спалах». Радіус світила скоротиться до 10 сучасних радіусів. На вигоряння гелію піде близько 110 млн років, після чого зірка знову розшириться і стане червоним гігантом, але ця стадія буде тривати вже 20 млн років.

З-за пульсацій, пов’язаних із змінами температури Сонця, його зовнішні шари відділяється від ядра й утворять планетарну туманність. Саме ж ядро перетвориться на білий карлик – об’єкт, чиї розміри будуть порівнянними розмірами Землі, а маса дорівнює половині сучасної сонячної маси. Далі цей карлик, що складається з вуглецю і кисню, буде поступово остигати. Жодних термоядерних реакцій в білому карлику йти не буде, тому з часом (за десятки млрд років) він перетвориться в чорний карлик – остиглу щільну масу речовини. На цьому еволюція Сонця завершиться.

Орбіта і розташування Сонця в галактиці Чумацький шлях

Сонце разом з усією Сонячною системою обертається навколо центру Чумацького шляху, в якому розташовується величезна чорна діра. Відстань від неї до нашого світила становить 26 тис. св. років. Один оборот Сонячна система робить приблизно за 225-250 млн років. Швидкість руху зірки відносно центру галактики складає 225 км/с.

На сьогодні Сонце розташовується в рукаві Оріона. Нам пощастило з розташуванням Сонячної системи в Чумацькому Шляху. Справа в тому, що швидкість обертання нашої системи майже збігається зі швидкістю обертання так званих спіральних рукавів. З-за цього наша система не потрапляє в них, хоча більшість інших зірок періодично виявляються там. В спіральних рукавах дуже сильне випромінювання, яке здатне вбити все живе. Якщо б Сонце знаходилося на іншій орбіті, воно періодично потрапляло б у спіральні рукави, що призводило б до «стерилізації» життя на Землі.

Дослідження Сонця

Спочатку люди ставилися до Сонця як божества, що дає людям світло. Древні астрономи думали, що наше світило – це лише одна з планет, яким також відносили й Місяць. Тому в честь нього, як і в честь інших планет, нерідко називали дні тижня. І сьогодні в англійській мові неділю носить назву «Sunday», що перекладається як «день Сонця». У 800 р. до н. е. китайці вперше виявили на Сонці плями.

Аристарх Самоський в III ст. до н. е. першим припустив, що Земля обертається навколо Сонця, а не навпаки. Але лише в часи Коперника та Галілея ця теорія була прийнята науковим співтовариством. Тоді ж почалися дослідження Сонця за допомогою телескопа. Галілей зрозумів, що сонячні плями – це частина світила. Вивчаючи їх, він зрозумів, що зірка обертається навколо своєї осі, і навіть зміг визначити період обертання.

У 1672 р. Д. Кассіні зміг досить точно розрахувати відстань до світила. Для цього він визначав положення Марса на небосхилі в Парижі і Кайєні (Південна Америка). Він отримав значення в 140 млн км.

У XIX ст. фізики стали вивчати спектр сонячного світла. Цей метод дозволяв визначити хімічний склад зірки. У 1868 р. було виявлено, що в склад світила входить елемент, до того невідомий людству. Його назвали гелієм.

Великою загадкою для вчених залишалася природа енергії, випромінюваної Сонцем. Висувалися помилкові версії, що зірка нагрівається за рахунок падіння на неї метеоритів або за рахунок гравітаційного стиснення. Лише з відкриттям ядерних реакцій фізики змогли припустити, що джерело сонячного тепла – це термоядерний синтез.

Подальше вивчення Сонця пов’язано з розвитком космонавтики. З допомогою радянських апаратів «Луна-1» і «Луна-2» в 1959 р. був відкритий сонячний вітер.

Цікаві факти про Сонце

Для будь-якого об’єкту, випромінюючого тепло, можна порахувати відношення потужності до його об’єму. Виявляється, що питома потужність Сонця приблизно в тисячу разів менше, ніж питома потужність людського організму! Це означає, що величезний обсяг виділяється світилом тепла в першу чергу пояснюється його гігантськими розмірами.

Періодично сплески сонячної активності призводять до геомагнітних бур. Найпотужніша з них сталася в 1859 р. В результаті на Землі перестала працювати телеграфний зв’язок, а північне сяйво спостерігалося навіть над Кубою.

Зараз загальновизнана теорія, що Сонце утворилося з газопилової хмари. Однак звідки з’явилося саме хмара? Вчені припускають, що воно є залишком попередніх зірок. Хімічний аналіз показує, що Сонце є зіркою вже третього покоління. Це означає, що речовина, з якої складається світило, раніше входило до складу двох інших зірок, вже припинили існування.

Хоча більшість планет обертаються навколо Сонця в площині екліптики, екватор самої зірки не збігається з цією площиною, а нахилений на 7°. Цю аномалію досі не вдалося пояснити. Можливо, причиною цього є існування ще однієї планети в Сонячній системі, чия орбіта лежить не в площині екліптики, а під кутом до неї. Ряд спостережень підтверджує існування Дев’ятої планети, але поки що говорити про її відкритті передчасно.