В чем сейчас загадки солнца
Обновлено: 22.11.2024
Солнце, главную звезду нашей планетной системы, можно считать шаром из плазмы, раскалённого и электрически заряженного газа. На самом деле эта простая модель, хоть и понятна без лишних подробностей, но не показывает сложность процессов, происходящих внутри светила и опускает нерешённые вопросы, с которыми сталкиваются астрономы. Один из них — почему последний, близкий к нам, участок солнечной атмосферы разогрет до температуры в миллионы градусов.
Солнце не просто однородный объект. Его недра разделяют на несколько слоёв. В самом центре находится ядро звезды, состоящее из вещества плотностью 150 тонн на кубический метр. Именно там атомы водорода сталкиваются друг с другом, превращаясь в гелий. Такая реакция приводит к образованию гелия и выделению энергии. Энергия в виде излучения передаётся «вверх» уже в следующем слое - над ядром лежит зона лучистого переноса, которая переходит в конвективную. Там закручиваются вихри из плазмы, несущие энергию дальше — в атмосферу Солнца.
Поверхность Солнца (Изображение WikiImages с сайта Pixabay) Поверхность Солнца (Изображение WikiImages с сайта Pixabay)Видимый слой этой атмосферы, фотосферу , мы воспринимаем как поверхность солнечного диска. Температура разреженной материи в фостосфере составляет 5800 градусов. Логично предположить, что чем дальше от поверхности звезды, тем ниже будет температура. Но нет.
За фотосферой лежит чуть более горячая красноватая хромосфера без чёткой верхней границы, за ней начинается корона. Изображение короны в виде неровного белого свечения видно на фотографиях, снятых во время полных затмений на специальном оборудовании. Излучение вещества короны определяется на расстоянии как минимум 20 миллионов километров от солнечной поверхности, что делает её слабым, но самым протяжённым участком атмосферы звезды. Температура короны достигает 1,5 миллиона градусов.
Не совсем понятно, какие именно механизмы вызывают такой нагрев, хотя многие из них известны в теории и на практике. Возможно, в солнечной короне действуют несколько типов магнитозвуковых волн, появляющихся в плазме под действием магнитного поля звезды. Среди вероятных кандидатов рассматривают микровспышки, причиной возникновения которых снова может служить воздействие со стороны меняющегося магнитного поля. Наконец, рассматривается гипотеза, что нагрев короны происходит так же, как и в хромосфере — благодаря разгону звёздного вещества до сверхзвуковых скоростей.
Следующая загадка
Солнце исследовали ещё астрономы Древнего Вавилона и Древнего Китая, но наукой в современном понимании этого слова оно изучается последние 300 лет, начиная с Галилея и его современников. Изучение Солнца имеет большое значение для фундаментальной науки – астрофизики, ведь Солнце – звезда, каких много во Вселенной. Те же процессы, что и на Солнце, происходят и на других звёздах. Значит, изучая Солнце, мы изучаем маленькую часть большой Вселенной. Мы знаем, что Солнце испытывает 11-летний цикл активности, который состоит в том, что количество солнечных пятен и других активных явлений на Солнце меняется от максимума до максимума и от минимума до минимума примерно за 11 лет. Сегодня мы наблюдаем уже 24-й солнечный цикл. У Солнца, как и у Земли, есть атмосфера. Самый внешний слой атмосферы Солнца называется "солнечной короной". Оказывается этот слой нагрет до невероянных по земным меркам значений - более 1.000.000°C. В то время как нижние слои солнечной атмосферы обладают температурой всего лишь около 6000°C. В настоящее время природа процессов, которые нагревают корону Солнца до высоких температур представляет одну из наиболее значительных солнечных "тайн". Существует несколько предположений о механизме этого нагрева, однако ни одно из них пока не является настолько убедительным, чтобы ответить на все возникающие вопросы. Периодически на поверхности Солнца возникают "солнечные пятна". Это области пониженной светимости на поверхности Солнца. Температура плазмы в центре солнечного пятна примерно в 1.5 раза ниже окружающей температуры в фотосфере. Отдельные солнечные пятна живут обычно не более нескольких дней, самые большие из них могут существовать на поверхности Солнца в течение нескольких недель. Солнечные пятна являются областями очень сильного магнитного поля, величина которого превышает величину магнитного поля Земли в тысячи раз. Это поле наиболее сильное в самой темной части солнечного пятна. Линии поля здесь уходят в поверхность Солнца почти вертикально. В областях Солнца расположенных около пятен, иногда происходят взрывы, во время которых окружающая плазма нагревается до температур в десятки миллионов градусов всего за нескольких секунд! Эти явления получили название солнечных вспышек. Часто вспышки сопровождаются выбросами солнечного вещества в межпланетное пространство. Эта плазма, так называемый "солнечный ветер", распространяется во всех направлениях, в том числе и в сторону Земли, где вызывает магнитные бури.
Сравнение размеров Солнца с планетами. Сравнение размеров Солнца с планетами.Главная загадка Солнца
Нерешенными проблемами или загадками Солнца являются проблема нагрева солнечной короны и ускорения солнечного ветра; каковы источники солнечного ветра на поверхности Солнца; действие динамо-механизма — почему период солнечного цикла, который мы называем 11-летним, меняется от цикла к циклу (диапазон изменений от 8 до почти 14 лет), почему очень сильно может меняться амплитуда солнечных циклов (диапазон изменений числа Вольфа в максимуме от 48 до 180) и отчего это зависит. Сегодня мы не умеем надежно предсказывать характеристики предстоящих солнечных циклов, а практическая необходимость в этом есть, и сам этот факт означает, что мы еще недостаточно хорошо понимаем механизм цикла. Мы не знаем триггерных механизмов самых мощных проявлений спорадической солнечной активности — солнечных вспышек и выбросов, а важность прогноза этих явлений сегодня очевидна. Остаются до конца неясными механизмы ускорения энергичных частиц на Солнце, их распространение в гелиосфере и формирование радиационной обстановки в околоземном космическом пространстве. Этот список можно было бы продолжить, но ясно, что Солнце хотя и самая близкая к нам звезда, но таит в себе еще немало интересных загадок. Приблизительно каждые 11 лет число солнечных пятен, видимых на поверхности Солнца, увеличивается от нуля (или очень малого значения) до 100 и более, а затем снова уменьшается. Интересно, что в начале ХХ века наш соотечественник, А.Л. Чижевский (1897-1964) пришел к выводу, что жизнь человечества зависит от Солнца не только как от источника тепла и света - своими процессами оно синхронизирует ход всемирной истории. Иначе говоря, во времена наибольшего числа пятен на Солнце, происходят активные исторические события: массовые переселения народов, войны, революции, восстания, завоевательные походы и т.д.
Следующая загадка
Может ли быть порядок в кипении, и можно ли проткнуть дырку в атмосфере Солнца? Может ли одна часть Солнца вращаться с одной скоростью, а другая с другой? Казалось бы — глупые вопросы, не правда ли? Ан нет.
Давайте по порядку. Знаете ли вы, что Солнце вращается вокруг своей оси, как и многие другие небесные тела? Если не знаете, то догадываетесь. Многие небесные тела вращаются вокруг своей оси, одни быстрее, другие медленнее. Некоторые ну очень медленно, и лишь некоторые вообще не хотят вертеться.
Солнце вращается, но очень хитрым образом. Экваториальная часть Солнца вращается с одной скоростью, а полярные области - с другой. Заметим, например, точку на солнечном экваторе… Постойте, как это можно? Солнце это большой кипящий котел, его поверхность состоит даже не из раскаленного газа, а из раскаленной плазмы. Как в него можно воткнуть палку где-нибудь на экваторе или на высоких широтах, чтобы проследить, когда эта палка исчезнет из вида и когда она появится снова на виду, чтобы определить, с какой скоростью Солнце крутится вокруг своей оси? Как это возможно? Где тот стабильно привязанный к месту объект, по которому можно узнать скорость вращения?
Хорошо, давайте разберемся постепенно и с самого начала.
Температура Солнца, как и любой звезды, очень велика. Считается, что в глубине Солнца она достигает многих миллионов градусов Цельсия, но на поверхности — только около 6000 градусов. Впрочем в науке температуру измеряют не по шкале Цельсия, а по шкале Келвина, но и по этой шкале температура поверхности Солнца тоже около 6000 градусов, и это число в данном случае не важно. Важно, что она просто высокая. Высокая настолько, что атомы газа, из которого состоит атмосфера Солнца, не могут удержать свои электроны, и те соскакивают со своих орбит.
Помните из курса школы про три главных состояния вещества? Первое, твердое, когда атомы собраны в решетку, то есть стоят ровными рядами; второе, жидкое, когда атомы нагреты и выскакивают из решетки, начинают бегать свободно, но все еще поддерживают связи друг с другом, а третье, газообразное, когда при еще большем нагреве атомы полностью теряют связи между собой и разлетаются в виде газа. А плазма это четвертое состояние вещества, когда при дальнейшем нагреве сами атомы рассыпаются на составные части: ядра атома, которые имеют положительный заряд, теперь летают отдельно от своих электронов, заряженных отрицательно, как мы помним из школьного курса физики. Так что мы имеем не просто газ, а более легкий и к тому же заряженный газ, который реагирует на электрические и магнитные поля.
Итак, Солнце очень горячее. Оно как большая кипящая кастрюля, подогреваемая снизу от горелки, нагретой (как считается) до нескольких миллионов градусов. Казалось бы при таких температурах на Солнце должен был бы твориться настоящий хаос и только он один! Ан нет. В любой самой булькающей кипящей кастрюле оказывается есть свой внутренний порядок, как это ни странно звучит. Кипение, при всей его хаотичности, не так уж хаотично. Заметил это один ученый, который начал разглядывать масло на раскаленной сковородке. И заметил, что даже при совершенно равномерном нагреве, горячее и потому более легкое масло в одних местах будет подниматься из глубины вверх на поверхность, где будет растекаться по поверхности и остывать, а в других местах это остывшее и потому более тяжелое масло будет опускаться вниз. Получается структуры, которые так и назвали ячейками Бенара по имени ученого. Или еще одно название — ячейки Релея-Бенара, где добавлено имя другого ученого, тоже изучавшего процессы в нагреваемых средах. И выглядеть это все будет как на видео по ссылке.
Примерно так же идет процесс нагрева и охлаждения в атмосфере Солнца, и любой другой звезды. То, что происходит в верхних слоях атмосферы Солнца, выглядит очень похоже на те же ячейки Бенара.
Да что там звезды — это происходит и в океанах, где нагретая на низких широтах вода будет уноситься течениями в более холодные области, и внутри нашей планеты, где горячая магма совершает такие же путешествия (порой двигая даже материки по пути). Да и в любом месте, где есть нагрев с одной стороны, а охлаждение с другой, будут происходить такие же процессы. В простой комнате с обогревателем воздух будет собираться в поток и циркулировать по определенным траекториям. Нагреваясь он поднимается вверх, остывая, течет вниз. И предпочитает это делать собираясь в стабильные потоки-течения (если ему не мешать).
Этот процесс называется конвекцией. Или в случае перемещения больших масс воздуха, воды и другой среды в горизонтальной плоскости — адвекцией. Только здесь уже не маленькие (сравнительно) ячейки, в которых происходит теплообмен, а глобальные потоки, сравнимые по масштабам с размерами планеты или звезды.
Мысленно разделим солнечный интерьер на три главные части — плотное внутреннее ядро, где идет (как считается) цепная ядерная реакция, и где давление чудовищно велико. Второй слой, внешняя часть ядра, где давление еще очень велико, но уже не достаточно для ядерной реакции, и в этой зоне происходит просто передача тепла через радиацию. И третий слой — это более разрежённая среда, которая уже может двигаться, так называемая зона конвекции. В нижней части этого слоя давление еще велико и среда по своему состоянию более похожа на океан, чем на атмосферу. Плотный и очень горячий океан, в нижней своей части напоминающий по состоянию земную магму. И лишь верхнюю часть этого океана можно назвать солнечной атмосферой, где раскаленные массы двигаются с большой скоростью и мы видим явления, похожие на языки пламени и протуберанцы.
Солнце слишком разогрето, чтобы иметь твердое ядро, однако давление в этом ядре очень велико, оно очень плотное, потому оно вращается как единое целое. Частота вращения ядра Солнца вокруг оси — один оборот в неделю, что выяснили совсем недавно.
Вращается оно в том же направлении, что и Земля, то есть видимая нам с Земли сторона перемещается слева направо. Или если мы поднимемся над северным полюсом Солнца и посмотрим на него сверху, то вращение будет против часовой стрелки.
Солнечная атмосфера вращается куда более медленно. На Солнце в экваториальной области атмосфера совершает полный оборот за период около 26-27 суток, а вот в полярных областях за более чем 30 суток.
В чем причина такого странного поведения солнечной атмосферы? Во-первых, причина именно в той глобальной конвекции, которая переносит нагретые массы солнечной атмосферы сначала вдоль поверхности более плотного ядра из полярных областей в экваториальные, где совершенно раскаленные и ускоренные центробежной силой массы атмосферы выходят на видимую поверхность Солнца, приобретая дополнительное ускорение в направлении вращения Солнца. А затем эти же массы начинают растекаться по поверхности и двигаться в обратном направлении к полюсам.
Откуда мы узнали о таком замысловатом поведении солнечного океана (если конечно можно так выразиться)? Во первых, потому, что некоторые элементы, некоторые возникшие на поверхности Солнца явления могут просуществовать не только дни, но и недели. Это так называемые пятна, петли магнитных полей и прочие образования, которые стали видны благодаря фантастическому разрешению новых телескопов. И эти-то стабильные структуры и показывают скорость вращения разных слоев солнечной атмосферы — подобно тому, как можно отследить скорость движения земной атмосферы по скорости перемещения облаков. И вот как раз по этим элементам и выяснили, что экваториальная часть солнечной атмосферы совершает полный оборот за 26-27 дней, а вот полярные области не такие торопливые. Им на полный оборот требуется на несколько дней больше.
Хорошо, это понятно, скажете вы. Поведение верхней части атмосферы при наличии привязанных (пусть даже временно) к поверхности элементов может указать на скорость перемещения этой самой верхней части атмосферы. Но как можно определить, куда и как движется нижняя часть атмосферы? Как можно увидеть, что огромный поток раскаленного солнечного океана движется вниз к экватору? Для того, чтобы разобраться в этом вопросе, требуется понять, что происходит с магнитными полями Солнца, и это очень интересная и непростая тема, она требует отдельного и большого рассмотрения. Я расскажу об этом в следующем выпуске.
Что нам известно о звезде в центре Солнечной системы?
Исследователи справедливо считают миссию аппарата самой сложной за всю историю исследований космоса
Исследователи из NASA опубликовали первые результаты, основываясь на данных, полученных от зонда Parker в начале декабря. Согласно первым четырем работам, которые опубликованы в журнале Nature, солнечная корона высвобождает мощные потоки высокоэнергетических частиц, известных как солнечный ветер, которые можно наблюдать по всей солнечной системе и далеко за пределами Плутона. Данные показывают, что солнечный ветер гораздо более турбулентный вблизи Солнца, чем в окрестностях нашей планеты, на расстоянии десятков миллионов километров. Исследователи также обнаружили, что сдвиги в магнитном поле Солнца ускоряют “оттекающие” от Солнца частицы намного быстрее, чем предсказывала любая из их моделей. Более того, вблизи поверхности звезды, ее магнитное поле поворачивается на 180 градусов, тем самым разгоняя солнечный ветер до рекордных скоростей.
А каких результатов этой впечатляющей космической миссии вы ожидаете? Поделитесь своими впечатлениями в комментариях и с участниками нашего Telegram-чата
Примечательным является и то, что исследователи не смогли бы получить настолько подробные данные, изучая звезду с поверхности планеты. Постепенно приближаясь к Солнцу, Parker совершает сложнейшее роботизированное исследование космоса в истории, ведь если хорошенько подумать, достичь Солнца намного сложнее, нежели покинуть звездную систему. Напомним, что в начале этого года мы рассказывали вам о рекордах космического зонда NASA. Надеемся, в будущем полученные результаты помогут исследователям лучше понять как жизненный цикл Солнца, так и эволюцию звезд.
Следующая загадка
Как сказал однажды знаменитый физик-теоретик Стивен Хокинг, мы с вами живем на ничем не примечательной планете, которая вращается вокруг ничем не примечательной звезды. Тем не менее, у нас есть шанс познать Вселенную. Именно этим заняты инженеры NASA. Помните аппарат Parker Solar Probe, который направляется прямиком к Солнцу? На данный момент зонд находится на расстоянии 24 миллионов километров от Солнца, что ближе, чем Меркурий. В будущем аппарату предстоит пройти сквозь внешнюю атмосферу звезды и подвергнутся воздействию температуры, превышающей 1 миллион градусов по Цельсию. Несмотря на то, что путешествие зонда длится всего год, данные, которыми он поделился с исследователями, оказались удивительными. Ученые отмечают, что зонду впервые удалось рассмотреть нашу родную звезду с такого близкого расстояния.
Зонд Parker купается в солнечных лучах
Наверняка среди вас не найдется желающих отправится в путешествие прямо к Солнцу. Поэтому специалисты NASA одели аппарат соответствующим образом. Parker оснащен изготовленным на заказ щитом для защиты научных приборов и систем, а также трубками с проточной водой для охлаждения. Температура внутри аппарата составляет 26 градусов по Цельсию. С момента запуска летом прошлого года, Parker совершил три оборота вокруг Солнца, однако ему предстоить еще большой путь в ближайшие пять лет.
Еще больше удивительных фактов о Солнце и других звездах Млечного Пути вы узнаете на нашем канале в Яндекс.Дзен
Читайте также: