Строение Солнца и температура в различных слоях (рис. слева) Ученые считают, что Солнце состоит из ядра, зоны лучистого переноса энергии, конвективной зоны и атмосферы. Изучая строение нашего дневного светила, мы пойдем от центра к краю. Итак, приступим.
Ядро. Ядро простирается на треть радиуса Солнца. В ядре Солнца рождается его сила – его энергия. Что же дает солнцу такую колоссальную энергию. С развитием науки приходили все новые и новые гипотезы. Начиная от мнения, согласно которому Солнце огромный, пылающий угольный шар, заканчивая современной теорией. Как известно с увеличением глубины возрастает и давление верхних слоев (Р = 6,1·1014дин/см2), увеличивается плотность (ρ = 150 г/см3) и температура (15 000 000 К). В таких условиях атомы столь тесно сближаются друг с другом, что кулоновские силы (силы отталкивания действующие на заряд со стороны одноименного заряда) не могут препятствовать столкновению двух атомов.

Теперь давайте рассмотрим атомы вообще и атомы двух элементов, а именно водорода и гелия, в частности. Атом состоит из ядра и вращающегося вокруг него электрона, имеющего отрицательный заряд. Что же удерживает электрон на своей орбите (атомной орбитали), почему он не улетает от ядра прочь под действием центробежной силы? Как известно, противоположено заряженные частицы притягиваются и следовательно если поместить в ядро частицу с зарядом равным заряду электрона по величину но противоположенного по знаку (то есть положительную) мы получим устойчивую систему. Так оно и есть. В ядре атома находится две частицы: нейтрон заряда не имеющий и протон, имеющий положительный заряд. Не путайте заряд и массу. Нейтрон, не имея заряда, имеет массу. Число протонов (Z) в ядре равна числу электронов. А число нейтронов, обозначаемое N для всех ядер должно быть больше или равно Z. Более легкие элементы, расположенные в первой половине периодической системы имеют отношение N/Z = 1; ядра же более тяжелых элементов перегружены нейтронами у них отношение N/Z = 1,6. Массовым число им ядра (А) называется общее число нуклонов в ядре. Ядра, как правило, обозначаются следующим образом, где Х – обозначение данного элемента. Ядра с одним и тем же зарядом Z, но с разными атомными массами называются изотопами. Масса атома практически полностью сосредоточенна в ядре, так как масса электрона много меньше массы нуклонов (нуклон = протон + нейтрон), содержащихся в ядре. В атоме водорода всего один электрон, в атоме гелия два электрона. Я думаю, все вы хоть раз видели периодическую систему Д. ИМ. Менделеева. Так вот число атомных орбиталей равно порядковому номеру элемента. Теперь, имея общее представление о строении атома, можно поговорить и о тех процессах, которые происходят в ядре Солнца, а именно о термоядерных реакциях. Термоядерные реакции – реакции между легкими атомными ядрами при значительных температурах превышающих 107 К. Высокие температуры необходимы для преодоления кулоновских сил. Без этого невозможно сближение ядер на расстояние действия ядерных сил, а, следовательно, и реакция идти не будет. Ядерные реакции, как правило, характеризуются образованием сильно связанных ядер из более рыхлых, и поэтому сопровождаются выделением избыточной кинетической энергии связи. В солнечном ядре происходят реакции синтеза (слияния) ядер водорода в ядра гелия с выделением избыточной энергии.

Строение Солнца
Думаю мы не будем углубляться в данный вопрос, дабы не усложнять первое знакомство с Солнцем и не уходить через мерно далеко от главной нити нашего разговора. Перейдем к следующей зоне – зоне лучистого переноса энергии. Эта зона занимает область примерно от 0,3 до0,7 RO от его центра. Средняя температура в данной зоне равна3-4·107 К. В ней происходит процесс переноса энергии излучаемой ядром в вышележащие слои путем поглощения этой энергии последующего ее переизлучения с постепенным увеличением длинны волны по мере понижения температуры. Лучистый теплообмен – передача тепла между нагретыми телами, обусловленная процессом испускания, переноса, отражения, поглощения и пропускания лучистой энергии. Лучистый обмен может происходить без промежуточной среде, то есть в вакууме. В теорию лучистого переноса как основа легли следующие законы физики:

1.закон сохранения энергии;
2.закон независимости лучистых потоков, согласно которому лучистые потоки, испускаемые различными телами, не зависят друг от друга и их количественной меры, допуская арифметическое сложение;
3.закон, определяющий интенсивность собственного излучения (излучения, находящаяся в состоянии лучистого теплообмена);
4.закон Стефана – Больцмана;
5.закон Планка;
6.закон излучения – закон распределения спектральной мощности равновесного излучения, испускаемого единицей поверхности абсолютно черного тела (тело поглощающее все, падающее на него излучение независимо от своей температуры и спектрального состава потока) в телесный угол 2π, в зависимости от температуры
7.Кирхгофа закон излучения, согласно которому отношение спектральной плотности равновесного излучения любого источника при произвольной длине волны и температуре и его коэффициент поглощения не зависит от свойств излучающего материала и является универсальной функцией от длины волны и температуры.

Следующим слоем является конвективная зона. Она расположена на протяжении от 0,7 RO от его центра до атмосферы Солнца. Давление 6,2·1012 дин/см3, температура 7 – 8 тысяч К. Как следует из названия, главную роль в переносе энергии в этой зоне играет конвекция. Конвекция – перемещение тепла и энергии внутри области заполненной жидкостью или газами, либо в сыпучей среде вследствие перемещения вещества этой среды. Различают естественную и вынужденную конвекцию. При естественной конвекции перемещение происходит исключительно вследствие разности температур в различных слоях вещества и вызванного этим различием плотности вещества. Интенсивность конвекции при этом тем больше, чем больше разность температур. Кроме того, конвекция зависит от теплопроводности и коэффициента объемного расширения вещества. Хорошим примером является вода, кипящая в чайнике. Вынужденная конвекция – перемещение вещества, происходящее главным образом под действием внешних возбудителей. Здесь хорошо вспомнить то, как вы размешиваете сахар в чае. Интенсивность при этом зависит не только от вышеперечисленных факторов, но и от скорости вынужденного движения. На Солнце конвекция естественная. Происходит процесс конвективного теплообмена, который сменяет лучистый теплообмен вследствие понижения температуры вещества. Конвективный теплообмен – самопроизвольный процесс переноса тепла в подвижных средах неоднородным полем температуры, осуществляемый по средствам конвекции и теплопроводности. Конвективный теплообмен зависит от свойств и характеристик движения среды, которые могут происходить под действием внешних сил или вызываться подъемной силой при наличии градиентов (разностей) плотности, обусловленных неоднородным полем температур в среде.

Верхние слои Солнца

Конвективная зона завершит наш рассказ о внутренних слоях Солнца. Далее мы будем говорить об атмосфере Солнца, состоящее из трех основных слоев фотосферы, хромосферы, солнечной короны.

Фотосфера (переводиться с латыни как «сфера света») – часть солнечной атмосферы, в которой образуется видимое излучение, имеющее непрерывный спектр. Таким образом, она излучает практически всю приходящую к нам солнечную энергию. При наблюдениях Солнца в белом свете мы видим именно фотосферу в виде солнечного диска. Толщина фотосферы приблизительно около 300 км. В фотосфере наблюдается множество проявления солнечной жизни и активности Солнца, но об этом немного ниже. Первое, что сразу бросается в глаза, это потемнение диска солнца к лимбу, который очень резкий. Объясняется это так. Излучение, идущее из центра диска, приходит к нам из более глубоких слоев фотосферы, где температура выше, а на лимбе излучение приходит из верхних слоев фотосферы, где температура ниже. Фотосфера единственная область главным образом состоящая из неионизированного (свободного) водорода. Однако в ней все же имеются свободные электроны, возникшие в результате незначительной ионизации водорода и практически полной ионизации металлов. Эти электроны, соединяясь с нейтральными атомами водорода, образуют радиоактивные ионы водорода, отличающиеся одним лишним (вторым) электроном. (как нетрудно догадаться они имеют отрицательный заряд и соответственно обозначаются Н-).

Выше простирается следующий слой солнечной атмосферы – хромосфера. Яркость хромосферы много меньше, чем у фотосферы, поэтому ее наблюдение возможно только при полных солнечных затмений, в виде красного ободка вокруг лунного диска, либо при помощи специальных приборов, позволяющих выделять слабое излучение хромосферы на фоне излучения фотосферы. Протяженность хромосферы порядка 15 000 км. Она имеет эмиссионный спектр, состоящий из ярких линий. В спектре хромосферы линии ионизированных и трудновозбудимых элементов сильнее, чем в спектре хромосферы. Эти особенности спектра подтверждают одну интересную особенность. До этого с уменьшением глубины температура то же уменьшалась, но в хромосфере наблюдается рост температуры. Хромосфера имеет неоднородную структуру. Выделяются яркие и темные области. Наиболее мелкие структурные образования называются спикулами. Они имеют продолговатую форму. Их длинна, равна нескольким тысячам километров. Толщиной около одной тысячи километров. Корпускулы поднимаются в верхний слой солнечной атмосферы – корону – со скоростями в десятки тысяч километров в секунду. В короне они как бы растворяются. Таким образом, происходит обмен веществом между хромосферой и короной. В свою очередь спикулы образуют более крупную структуру называемую хромосферной сеткой.

Теперь перейдем к последней и самой протяженной оболочке, называемой солнечной короной. Яркость солнечной короны в миллионы раз меньше, чем фотосферы. Потому наблюдения солнечной короны возможны только при полных солнечных затмений, либо при использовании специальных приборов, называемых внезатмнными коронографами, которые моделируют затмение. В последнее время получена масса снимков короны при помощи космического телескопа SOHO. Резких очертаний корона не имеет обладая неправильной формой меняющейся в зависимости от одиннадцатилетнего цикла солнечной активности. Яркость короны уменьшается в десятки раз по мере удаления от Солнца на величину его радиуса. Корона имеет лучистую структуру. Особенно характерна структура, временами, наблюдаемая у полюсов – короткие прямые лучи образуют так называемые полярные щеточки. Наиболее яркая часть короны, удаленная от края солнечного диска не более, чем не один радиус Солнца называется внутренней короной. Остальную, весьма протяженную, часть называют внешней короной. Внутренняя корона так же богата различными структурами, образованными на полюсе напоминающие дуги и шлемы, либо отдельные облачка. Спектр короны обладает рядом особенностей. Основной является стойкий непрерывный фон с распределением энергии в непрерывном спектре Солнца. На фоне этого непрерывного спектра во внутренней короне наблюдается яркие эмиссионные линии, интенсивность которых уменьшается по мере удаления от Солнца. Большинство этих линий не удается получить в лабораторных спектрах.

Солнечная корона.

Во внешней короне наблюдается фраунгоферовы линии солнечного спектра, отличающиеся от фотосферных линий меньшей глубиной. Излучение короны поляризовано , примерно на расстоянии в половины радиуса Солнца. от края Солнца поляризация усиливается на 50%, а на больших расстояниях снова уменьшается. Подобие распределения энергии в спектрах короны и фотосферы говорит о том, что излучение короны является рассеянным светом фотосферы. Поляризованность этого света позволяет установить природу частиц, на которых происходит рассеяния. Столь сильную поляризацию могут вызвать только свободные электроны. Поскольку вдоль луча зрения расположены участки короны, которые рассеивают падающее на них излечение фотосферы не только под углом в 90°, и под другими углами наблюдаемая суммарная поляризация оказывается частичной. Для более удаленных от Солнца участков короны между лучом зрения и и направлением падающих лучей ближе к 90°. Поэтому с увеличением высоты в короне степень поляризации должна возрастать, что и наблюдается в нижней короне. Однако в верхней короне это увеличение сменяется уменьшением, что говорит о наличии не поляризованных части излучения, относительная доля которой растет по мере удаления от Солнца. Эта не поляризованная составляющая является причиной появления во внешней короне фраунгоферовых линий, получив название фраунгоферовой короны. Фраунгоферова корона не умеет отношения к солнечной атмосфере. Она представляет собой свет солнца, рассеянный на мелких межпланетных пылинках, расположенных в пространстве между Землей и Солнцем. Рассеивая свет, они очень слабо поляризуют. Эти пылинки обладают свойствам большую часть подающего на них излучения, рассеивать в том же направлении. Поэтому наибольшую интенсивность рассеяние на пылинках дает вблизи Солнца, создавая при этом впечатление ложной короны.