Контрольная работа: Солнце, его физические характеристики и воздействие на магнитосферу Земли

1. Солнце

Солнце - центральное тело нашей планетной системы, возникло около 4.7 млрд. лет тому назад вместе с другими планетами.

1.1 Солнце как звезда

Солнце - ближайшая к Земле звезда, является рядовой звездой нашей Галактики.  Это карлик главной последовательности диаграммы Герцшпрунга-Рессела.  Принадлежит к спектральному классу G2V.

Ее физические характеристики:

·  Масса 1.989 1030 кг

·  Радиус 696 тыс. км

·  Температура поверхности 5780 K;

·  Видимый радиус 31'

·  Угловой масштаб 725км на 1"

·  Средняя плотность 1.41 кг/м3

·  Светимость 3.85 1026 Вт

·  Эффективная температура 5779 К

·  Период вращения (синодический) - от 27 сут. на экваторе до 32 сут. у полюсов

·  Ускорение свободного падения в фотосфере 274 м/с2.

·  Параболическая скорость убегания 617.7км/с

·  Среднее расстояние от Земли (астрономическая еденица -а.е.) примерно 149.6 млн. км.

Солнечная постоянная - определяется как полное количество лучистой солнечной энергии, проходящей за единицу времени через единицу площади, перпендикулярной направлению на Солнце и расположенную за пределами земной атмосферы

Умножая эту величину на площадь сферы с радиусом в 1 а. е., получим полное количество энергии, излучаемой Солнцем по всем направлениям в единицу времени, т.е. его болометрическую светимость.  Она равна 3,84* 1026 Дж/с, (3.8*•1033 эрг/с), или 3,8*•1026 Вт. Единичная площадка в фотосфере Солнца размером в 1 м2 излучает 63.1 МВт.

1.2 Общая структура Солнца

·  энерговыделяющее ядро (от центра до расстояния в четверть радиуса)

·  область лучистой теплопроводности (от 1/4 до 2/3 радиуса)

·  конвективная зона (последняя треть радиуса)

Выше конвективной зоны начинаются непосредственно наблюдаемые внешние слои атмосферы Солнца.

Вращение Солнца происходит вокруг некоторой оси, перпендикулярной плоскости солнечного экватора.

Солнечный экватор образует с плоскостью эклиптики угол в 7o15' и от него отсчитываются гелиографические широты на Солнце. На экваторе линейная скорость вращения Солнца составляет около 2 км/c.

Вращение Солнца обладает важной особенностью: его угловая скорость , определяемая по перемещениям пятен, убывает по мере удаления от экватора в среднем по закону

ω=14.4o-2.7sin2φ,

где φ - гелиографическая широта, а ω - угол поворота за сутки. Соответствующий сидерический период (относительно неподвижных звезд) составляет около 25 дней на экваторе и достигает 30 дней вблизи полюсов. Земля движется вокруг Солнца в ту же сторону, и период вращения Солнца относительно земного наблюдателя (синодический период) составляет почти 27 дней на экваторе и 32 дня у полюсов.

Ось вращения Солнца наклонена к плоскости эклиптики, угол между плоскостью солнечного экватора и плоскостью эклиптики 7o 15' , а долгота восходящего узла экватора Ω = 73,667 + (t-1850)·0,01396°, где t-дата, выраженная в годах. Земля пересекает плоскость солнечного экватора дважды в год: в начале июня и в конце декабря.

В течение первого полупериода она находится в южном полушарии по отношению к плоскости солнечного экватора, в течение второго - в северном. Средняя скорость вращения Земли вокруг Солнца V = 30 км/с.

2. Внутреннее строение Солнца

Солнце – раскаленный газовый шар, температура в центре которого очень высока, настолько, что там могут происходить ядерные реакции. В центре Солнца температура достигает 15 миллионов градусов, а давление в 200 миллиардов раз выше, чем у поверхности Земли. Солнце – сферически симметричное тело, находящееся в равновесии. Плотность и давление быстро нарастают вглубь; рост давления объясняется весом всех вышележащих слоев. В каждой внутренней точке Солнца выполняется условие гидростатического равновесия. Давление на любом расстоянии от центра уравновешивается гравитационным притяжением. Радиус Солнца приблизительно равен 696 000 км. В центральной области с радиусом примерно в треть солнечного ядра происходят ядерные реакции. Затем через зону лучистого переноса энергия излучением переносится из внутренних областей Солнца к поверхности. И фотоны, и нейтрино рождаются в зоне ядерных реакций в центре Солнца. Но если нейтрино очень слабо взаимодействуют с веществом и мгновенно свободно покидают Солнце, то фотоны многократно поглощаются и рассеиваются до тех пор, пока не достигнут внешних, более прозрачных слоев атмосферы Солнца, которую называют фотосферой. Пока температура высока – больше 2 миллионов градусов, – энергия переносится лучистой теплопроводностью, то есть фотонами. Зона непрозрачности, обусловленная рассеянием фотонов на электронах, простирается примерно до расстояния 2/3R радиуса Солнца. При понижении температуры непрозрачность сильно возрастает, и диффузия фотонов длится около миллиона лет. Примерно с расстоянии 2/3R находится конвективная зона. В этих слоях непрозрачность вещества становится настолько большой, что возникают крупномасштабные конвективные движения. Здесь начинается конвекция, то есть перемешивание горячих и холодных слоев вещества. Время подъема конвективной ячейки сравнительно невелико – несколько десятков лет. В солнечной атмосфере распространяются акустические волны, подобные звуковым волнам в воздухе. В верхних слоях солнечной атмосферы волны, возникшие в конвективной зоне и в фотосфере, передают солнечному веществу часть механической энергии конвективных движений и производят нагревание газов последующих слоев атмосферы – хромосферы и короны. В результате верхние слои фотосферы с температурой около 4500 K оказываются самыми «холодными» на Солнце. Как вглубь, так и вверх от них температура газов быстро растет. Всякая солнечная атмосфера постоянно колеблется. В ней распространяются как вертикальные, так и горизонтальные волны с длинами в несколько тысяч километров. Колебания носят резонансный характер и происходят с периодом около 5 минут. Внутренние части Солнца вращаются быстрее; особенно быстро вращается ядро. Именно особенности такого вращения могут приводить к возникновению магнитного поля Солнца.

3. Термоядерные реакции на Солнце

В 1935 году Ханс Бете выдвинул гипотезу, что источником солнечной энергии может быть термоядерная реакция превращения водорода в гелий. Именно за это Бете получил Нобелевскую премию в 1967 году. Химический состав Солнца примерно такой же, как и у большинства других звезд. Примерно 75 % – это водород, 25 % – гелий и менее 1 % – все другие химические элементы (в основном, углерод, кислород, азот и т.д.). Сразу после рождения Вселенной «тяжелых» элементов не было совсем. Все они, т.е. элементы тяжелее гелия и даже многие альфа-частицы, образовались в ходе «горения» водорода в звездах при термоядерном синтезе. Характерное время жизни звезды типа Солнца десять миллиардов лет. Основной источник энергии – протон-протонный цикл – очень медленная реакция (характерное время 7,9•109 лет), так как обусловлена слабым взаимодействием. Каждую секунду Солнце перерабатывает около 600 миллионов тонн водорода. Запасов ядерного топлива хватит еще на пять миллиардов лет, после чего оно постепенно превратится в белый карлик.

4. Фотосфера Солнца

Наблюдаемое излучение Солнца возникает в его тонком внешнем слое, который называется фотосферой. Толщина этого слоя 0,001R = 700 км. В фотосфере образуется видимое излучение Солнца, имеющее непрерывный спектр. «Видимая» поверхность Солнца определяется той глубиной в атмосфере, ниже которой она практически непрозрачна. Солнце – газовый шар, не имеющий четких границ. Однако мы видим его резко очерченным потому, что практически все излучение Солнца исходит из фотосферы. Видимый нами свет излучается отрицательными ионами водорода. Они же его и поглощают, поэтому с глубиной фотосфера быстро теряет прозрачность. 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. Грануляция – проявление конвекции в более глубоких слоях Солнца. Гранулы создают общий фон, на котором можно наблюдать несравненно более масштабные образования, такие, как протуберанцы, факелы, солнечные пятна и др.

5. Хромосфера Солнца

Хромосфера Солнца видна только в моменты полных солнечных затмений. Луна полностью закрывает фотосферу, и хромосфера вспыхивает, как небольшое кольцо ярко-красного цвета, окруженное жемчужно-белой короной. 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. Рост температуры объясняется воздействием магнитных полей и волн, проникающих в хромосферу из зоны конвективных движений. На краю хромосферы наблюдаются выступающие язычки пламени – хромосферные спикулы, представляющие собою вытянутые столбики из уплотненного газа. Температура этих струй выше, чем температура фотосферы. Во время полного солнечного затмения можно получить спектр хромосферы, который называется спектр вспышки. Он состоит из ярких эмиссионных линий водорода бальмеровской серии, гелия, ионизированного кальция и других элементов, которые внезапно вспыхивают во время полной фазы затмения.

6. Солнечная корона

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6