Тема: Солнце и звезды

Изучите тему и выполните задание.

Общие сведения о Солнце.

1. Введение
а) Солнце - колоссальный источник энергии. Играет исключительную роль в жизни Земли.
б) Солнце - издавна объект поклонения, ему приносили жертвы.
в) Солнце - рядовая звезда -желтый карлик.

2. Наблюдение за Солнцем – нельзя смотреть без защиты глаз темным светофильтром (закопченное стекло, засвеченная пленка, а лучше затмение наблюдать через стекло масти электросварки).
Нельзя наблюдать через телескоп даже со светофильтром, только проецировать изображение на экран.
Что можно увидеть: пятна, факелы возле пятен на краю диска, протуберанцы, вспышки и так далее.

3. Вращение. Если сравнивать несколько последовательных фотографий Солнца (или наблюдений) то по пятнам можно определить что Солнце вращается. Период вращения установил Кэррингтон (1863г) →экватор 24,96 сут, на широте 35^о - 26,83 сут, вблизи полюсов ≈30 сут, т.е. Солнце не твердое тело. Линейная скорость на экваторе ≈2 км /с.
Направление вращения - вокруг своей оси в направлении движения планет. =Открыл вращение в декабре 1610г Г.Галилей. А где еще встречается такое вращение, как у Солнца?

4. Размер (Пример N7, стр51).

ρʘ=16'	Rʘ= ρʘ/pʘ. R⊕ =(16.60"/8,8").R⊕≈109 R⊕	Звезды бывают от 0,1Rʘ< Rʘ<1000 Rʘ Солнце относится к маленьким звездам - Карликам.
pʘ=8,8"	Rʘ≈695000км=109 R⊕
Rʘ=?

5. Масса -находим по третьему уточненному закону Кеплера (Солнце-Земля, Земля-Луна).

Т⊕2.(Mʘ+ m⊕) = а⊕3 отсюда Т⊕2. Mʘ = а⊕3 Т.к { M⊕<< Mʘ m◖<< M ⊕ Т◖2. (M⊕+m◖) а◖3 Т◖2. M⊕ а◖3

Отсюда	Mʘ	=	а⊕3.Т◖2	=	149,63. 27,322	≈ 2 . 1030 кг ≈ 333000 M⊕	У других звезд обычно 0,06 M ʘ< M ʘ<100 M ʘ
	M⊕		а◖3. Т⊕2		0,38443.365,252

Найдем плотность	ρ cрʘ=	Mʘ	=	mʘ	≈1400 кг/м3, т.е. чуть больше плотности Н2О. Сравните с плотностью Земли, Юпитера.
		Vʘ		4/3π Rʘ3

6. Светимость (L)
В ходе измерений на Земле и с КА в течении нескольких лет установлено количество получаемого Землей тепла от Солнца и получено значение солнечной постоянной.
q=1367 Вт/м²=1367 Дж/м^2.с ≈1400 Вт/м² Тогда на радиусе орбиты Земли можно установить количество энергии, излучаемой Солнцем (т.е. светимость).
L_ʘ=q_ʘ^. S _{сферы шара} = q_ʘ^. 4 π R _орб⊕² =1367^.4^.3,1415^.(149,6^.10⁹)²=3,876^.10²⁶ Вт/c.
По сравнению с другими звездами 1,3^.10^-5L_ʘ<L_ʘ<5^.10⁵ L_ʘ

7. Температура (T) -определяют разными способами, основанными на открытых на Земле физических законах.
1. Способ: Из светимости Солнца выясним энергию, излучаемую единицей поверхности Солнца в единицу времени.

ε=	Lʘ	=	Lʘ	с другой стороны ε=δТ4 Закон Степана-Больцмана				δ=5,67*10-8Вт/(м2. К4) -коэффициент пропорциональности
	Sʘ		4 π Rʘ2
тогда		δТ4=		Lʘ	отсюда	Т=4√	Lʘ	≈6000 К - эффективная температура Солнца [вообще-то ≈ 5800 К]
				4 π Rʘ2			4 π Rʘ2δ

Закон установлен экспериментально Йозев Стефан (1879г, Австрия) и доказал теоретически Людвиг Больцман (1884г, Австрия). В данном случае Солнце считается абсолютно черным телом, т.е. идеальный накопитель излучения и излучатель (реально только≈).

2. Способ: Экспериментально определяют λ _max соответствующую максиму излучаемой энергии.
Закон излучения открыл в 1896г Вильгельм Вин (1864-1928, Германия).

λ max.Т=b, где b=0,2897*107Å.К - постоянная Вина	Чем выше Т тем меньше λ max (рис 71)
Для Солнца λ max =4800Å 1Å=10-10 М

это желтая линия, поэтому и Солнце желтое (т.к max излучения приходится на желтые лучи)
Если брать λ в см, то получим формулу

λ max=	0,29	отсюда Т ʘ=	0,29	≈6000К	Температуры звезд обычно 2800К<Тʘ<40000К
	Т		4,8.10-5см

Это на поверхности, а глубже температура больше. В таком состоянии вещество находится в газообразном состоянии, причем многие атомы ионизированы, т. е Солнце- раскаленный газовый (плазменный) шар.

8. Химический состав Когда-то считали что никогда не узнают из чего состоят звезды.
Еще И.Ньютон (Англия) в 1665г открыл дисперсию (разложил свет в спектр).
= В 1814г Йозеф Фраунгофер (Германия)- один из основателей спектроскопии открыл в спектре Солнца и зарисовал 580 темных линий, определил и описал длины волн 754 линий поглощения к 1817г (т.е спектр Солнца- непрерывный спектр пересечений темными линиями- фраунгоферовыми. В настоящее время в спектре зарегистрировано более 30000 линий, принадлежащих 72 химическим элементам).
= В 1859г Густав Кирхгоф (Германия) и Роберт Бунзен (1899, Германия) открыли спектральный анализ (Кирхгоф создал модель абсолютно черного тела) «Газы поглощают те длины волн, которые излучают в нагретом состоянии»
По спектру на Солнце никаких неземных химических элементов нет. Самые распространенные на Солнце элементы – 70% водорода, и 28% - гелия.
Все звезды в основном состоят из Н и Не (это основные химические элементы Вселенной).

Строение атмосферы Солнца.

Солнечная атмосфера состоит из 3 ^х слоев: фотосфера, хромосфера, солнечная корона.
1. Фотосфера -светящаяся “поверхность” Солнца, =нижний слой атмосферы 300-400км., Т≈5800К, ρ_ср. ≈10^-4кг/м³≈10¹⁷атом/см³. Н -водород. Излучает прочти всю энергию.

а). гранулы размером до 1000км., время существования до 8мин. Непрерывно появляются и исчезают причина - движение вещества в фотосфере (подъем и опускание в под фотосферной области за счет конвекции, начиная с глубины 0,3R, т.е подобие кипящей рисовой каши).

б). Пятна - диаметром от нескольких до 100 тыс. км. (крупные существуют до нескольких месяцев). Имеют ядро, волокнистую структуру полутени. Пятна появляются на широте ∓40⁰(редко 50⁰) группами (редко одно), но обязательно есть и на противоположной стороне Солнца и опускаются до широты ∓5⁰ где исчезают (существуя от нескольких дней до нескольких месяцев). Пятно видно так как более холодное по сравнению с остальной частью фотосферы (≈4500К). Причина - торможение магнитным полем конвекции, (на поверхность поступает <энергии), глубина воронки 300-400км. Расщепление линий в спектре указывает на существование магнитного поля. В пятнах напряженность магнитного поля 1500-4500 Эрстед, в то время как в спокойных областях Солнца напряженность- 5 Эрстед. Что пятно холодное и в них существует магнитное поле, установлено в 1908г Дж. Э. Хейл (1868-1938, США).

Рудольф Вольф (1816-1893, Швейцария) в 1852г установил зависимость 11-летний цикл появления пятен), что 4 года происходит подъем, а 7 лет затухание - цикл 11¹/₉ лет, и ввел число Вольфа W=(10g+f)^.k характеризирующую активность пятно образований, где g - число групп, а f - число пятен. Самая большая из когда-либо зарегистрированных групп солнечных пятен достигла своего максимума 8 апреля 1947г. Она захватила область площадью в 18130 миллионов квадратных километров.

Главное пятно имеет одну полярность, а хвостовое - противоположную. Если в данном цикле главное имело северный магнитный полюс, то в следующем цикле главное будет иметь южный полюс. Последний 23-й наблюдаемый цикл имел растянутый МАХ 1999-2001гг, а минимум был в 2006 году. Вообще то цикл ≈11,1 лет, но предсказать невозможно.

в) Вокруг солнечных пятен наблюдались светлые ореолы, температура которых на 10К> чем у окружающего газа и радиус в 2 раза> радиуса пятна, открыты в 1999 году.

г) Фотосферные факелы - более светлые образования (примерно на 300 К горячее), связанные с выносом более горячего вещества за счет усиления конвекции в подфотосферных слоях. Факел - долгоживущее образование, он часто не исчезает в течение целого года, а группа пятен на его фоне "живёт" около месяца. Волокна факелов отчётливо видны лишь около края диска Солнца (но не на самом краю), где превышение их яркости над фоном достигает 10-20%.

2. Хромосфера (греч. "сфера цвета") названа так за свою красновато-фиолетовую окраску (видна только при полных затмениях, или при помощи специальных приборов). Состоит из трех слоев: нижний - до 1500 км, Т≈5000К; средний 1500-4000 км, Т ≈ 6000-15000 К; верхний 4000-10000км Т=20000-50000К. Яркость хромосферы не одинакова. Между хромосферой и короной лежит узкий переходный слой, в котором температура быстро растёт от ~ 10⁴ до ~ 10⁶ К.

а) Факелы (хромосферные)-наиболее яркие участки расположены над фотосферными нитями и факелами.

б) Вспышки самые мощные и быстроразвивающиеся (слабые вспышки исчезают через 5-10 мин, а самые мощные до нескольких часов) происходят в результате быстрой перестройка ("перезамыкание") магнитных полей. Небольшие вспышки происходят по несколько раз в сутки, мощные (охватывают десятки млрд. км²) значительно реже. Как правило они наблюдаются вблизи пятен. Вспышка - взрывной процесс сопровождающийся выбросами электрически заряженных частиц - потока протонов и электронов.

в) Спикулы - на краю хромосферы наблюдаются выступающие язычки пламени, представляющие вытянутые столбики из уплотненного газа, температура которых выше чем в фотосфере. Диаметры спикул ~ 1000 км, скорости подъёма или опускания ≈ 20 км/с, время жизни - минуты. На высоте h ≈ 3000 км они занимают ок. 2% площади солнечной поверхности. Механизм образования спикул связан со сложной структурой магнитных полей фотосферы.

г) Протуберанцы - гигантские яркие вспышки и арки, опирающиеся на хромосферу и врывающиеся в солнечную корону - это выброс вещества (плазмы). Наиболее распространены "спокойные" протуберанцы, появление которых обычно связано с развитием группы пятен, но существуют они значительно дольше пятен (до 1 года). Другой вид протуберанцев связан с выбросами вещества вверх (обычно после вспышек) со скоростями ~ 100-1000 км/с (т. н. быстрые - эруптивные протуберанцы).

3. Солнечная корона =протяженность от 1R - 8-10 R Солнца. Наблюдается во время затмений (или с помощью коронографа) серебристо-жемчужного цвета с Т≥1млн.К. Почти круглая в период МАX, сильно вытянута в плоскости экватора в MIN. Солнечную корону образует чрезвычайно разреженный газ, и даже слабые магнитные поля, проникающие в корону, оказывают существенное влияние на её характеристики и строение. В короне выделяются корональные щёточки близ полюсов, дуги и корональные лучи на более низких широтах. Структура короны довольно устойчива, существенные изменения происходят за годы.

Сверхкорона - отдельные выбросы плазмы доходит до земли. Температура до 1 млн. К - нагревается за счет волнового движения возникающего при конвекционном движении газа внутри Солнца. Разгон частиц осуществляется магнитным полем; частицы движутся по спирали.

4. Солнечная активность – периодический комплекс нестационарных образований в атмосфере Солнца (петли, факелы, протуберанцы и т.д.). Связующее звено между различными ярусами центров активности – магнитное поле. Период – 11 лет (4 подъема – 7 затухание).

К 1997г установлено, что на Солнце одновременно происходит до 30 тысяч различных взрывных событий. Они подробно исследованы с помощью космического УФ спектрометра SOHO (Солнечная геосферная обсерватория). Их средняя продолжительность ≈1 мин, протяженность 1500 км, скорость выброса вещества до 1500 км/с. Так 6 января 1997г зафиксирован “протуберанец” диаметром >40 млн.км, что привело к увеличению солнечного ветра с 350 до 430 км/с у Земли.

К 2007 году прошло наблюдаемых 23 цикла солнечной активности. Анализ в 20-22 циклах показал, что экватор вращался с почти постоянным синодическим периодом 26.92 ± 0.02 сут. Но после 1996г вращение значительно ускорилось, и в 23-ем цикле доминирует период 26.57 ± 0.07 сут (рост скорости на 1.3 %). Почему? - неизвестно.