Хромосферу и солнечную корону можно наблюдать во время полного затмения
Солнце - самая близкая к нам звезда и главная звезда Солнечной системы. В данной статье будет рассмотрено строение Солнца как рядовой звезды вселенной.
Что представляет собой солнечная корона?
Корона — верхний слой атмосферы Солнца, который из-за его невысокой яркости можно увидеть без аппаратуры лишь во время полных солнечных затмений. С помощью же специальных телескопов — коронографов — можно закрывать солнечный диск искусственно и наблюдать корону в любое время.
Для более детального изучения короны Солнца используют специальную рентгеновскую оптику, так как основное излучение короны из-за ее высокой температуры лежит в рентгеновской части солнечного спектра. Инструмент выводят за пределы атмосферы Земли с помощью геофизических ракет или устанавливают на одном из спутников.
Что необычного известно о солнечной короне?
Еще после первых наблюдений в начале XX века ученые подумали, что в короне есть неизвестное нам вещество, которое они окрестили коронием. Но оказалось, что из-за высокой температуры в верхнем слое атмосферы Солнца (свыше 1 000 000 °C) водород и гелий полностью ионизируются, теряя все электроны и прекращая производить спектральные линии излучения. И вместо них в видимой области солнечного спектра доминируют элементы, которые там обнаружить не ожидаешь: сильно ионизованные атомы железа и кальция.
Структура солнечной короны чрезвычайно сложна и динамична, зависит от пространственного распределения активных образований на поверхности Солнца и от фазы солнечного цикла. Она содержит множество «особых» элементов, рассказывается на сайте Лаборатории рентгеновской астрономии Солнца Физического института им. П. Н. Лебедева Российской академии наук. К таким элементам относятся:
- Корональные петли. Они состоят из замкнутых линий магнитного поля, их часто окружают солнечные пятна и активные области. Одни петли «живут» несколько дней, а другие — несколько недель.
- Корональные стримеры — вытянутые яркие шлемообразные структуры с открытой вершиной, часто формируются над пятнами и областями повышенной активности. Они образуются из крупных петель магнитного поля и могут удерживать над поверхностью Солнца протуберанцы и волокна.
- Протуберанцы — плотные конденсации холодного вещества, которые наблюдаются на краю солнечного диска над его поверхностью.
- Волокна — темные вытянутые структуры, хорошо видимые в солнечной хромосфере (неоднородный слой солнечной атмосферы, расположенный над фотосферой — видимой поверхностью Солнца). Представляют собой конденсации из плотной и более холодной, чем окружающее вещество, плазмы и видны в проекции на солнечный диск.
Солнечная корона достигает орбиты Земли в виде постоянно движущегося потока плазмы (солнечного ветра) и простирается еще дальше: за пределы орбит Юпитера и Сатурна. Иными словами, жизнь планеты Земля происходит в атмосфере Солнца, отмечают в Московском планетарии.
Широта и полнота
В каком полушарии Земли чаще случаются полные солнечные затмения: в Северном или в Южном? Почему так происходит?
Подсказка 1
Казалось бы, какая разница? Конечно, в северном полушарии больше суши, а затмения, проходящие над океаном, вызывают меньший ажиотаж в СМИ и проходят практически незамеченными. Но если вы заглянете в астрономический календарь, то сможете убедиться, что в северном полушарии полные солнечные затмения происходят намного чаще (в 2–3 раза) даже с учетом океанических затмений. Причину этой асимметрии вам и предстоит объяснить.
Решение
Для наступления полного солнечного затмения необходимо соблюдение двух условий.
1. Луна должна оказаться на одной прямой между Солнцем и наблюдателем (допустимы небольшие отклонения, но наблюдатель должен находиться в узкой полосе, по которой движется полная лунная тень), как изображено на рис. 1.
2. Наблюдаемый угловой диаметр Луны должен быть больше, чем угловой диаметр Солнца (иначе мы получим кольцеобразное затмение, как показано на рис. 2).
Рассмотрим эти условия подробнее.
Условие 1 равнозначно совпадению новолуния, которое наступает с периодом, задаваемым продолжительностью синодического месяца (в среднем 29,531 суток), и прохождения Луны на небесной сфере через одну из двух точек пересечения видимой лунной орбиты и эклиптики (так называемый узел), что происходит ровно два раза за период, именуемый драконическим месяцем (чуть больше чем 27,215 суток). Оба месяца находятся в иррациональном соотношении с продолжительностью года и поэтому никак не могут быть причиной искомой асимметрии.
Теперь разберёмся с условием 2. Угловой диаметр Луны варьируется от максимума (33'40") в перигее (ближняя к Земле точка лунной орбиты) до минимума (29'24") в апогее (дальняя точка). Продолжительность полного цикла от перигея до перигея называется аномалистическим месяцем (сейчас составляет примерно 27,545 суток) и также не укладывается в год рациональное число раз.
Методом исключения мы дошли до углового диаметра Солнца. Постоянен ли он в течение года? Если бы орбита Земли была точно круговой, то это было бы верно. Но орбита Земли — эллипс, хотя и очень близкий к окружности. Угловой диаметр Солнца в перигелии (ближняя к Солнцу точка орбиты) составляет 32'31", а в афелии (дальняя точка) — 31'27", то есть меняется на 3,4%. Этого вполне достаточно, чтобы вблизи афелия заметно чаще наблюдались полные, а вблизи перигелия — кольцеобразные затмения.
Дата перигелия обычно наступает в промежутке от 2 до 5 января, афелия — с 3 по 6 июля. Это достаточно близко к датам солнцестояний, и можно сделать вывод, что летом в Северном полушарии чаще происходят полные, а в Южном — кольцеобразные затмения. А поскольку, как мы уже выяснили, солнечные затмения чаще наблюдаются летом, мы и получаем ответ на наш вопрос.
Слои и их особенности
Внутреннее строение Солнца слоистое, т.е. состоит из ряда сфер, или областей. В центре находится ядро, затем область лучевого переноса энергии, далее конвективная зона и, наконец, атмосфера. К ней ряд исследователей относят три внешние области: фотосферу, хромосферу и корону. Правда, другие астрономы к солнечной атмосфере относят только хромосферу и корону.
Ядро - центральная часть Солнца со сверхвысоким давлением и температурой, которые облегчают течение ядерных реакций. Они выделяют огромное количество электромагнитной энергии в предельно коротких диапазонах волн.
Область лучистого переноса энергии - находится над ядром. Она образована практически неподвижным и невидимым сверхвысокотемпературным газом. Передача через нее энергии, генерируемой в ядре, к внешним сферам Солнца осуществляется лучевым способом, без перемещения газа. Этот процесс надо представлять себе примерно так: из ядра в область лучевого переноса энергия поступает в предельно коротковолновых диапазонах - гамма излучения, а уходит в более длинноволновом рентгеновском, что связано с понижением температуры газа к периферической зоне.
Конвективная область - располагается над предыдущей. Она образована также невидимым раскаленным газом, находящимся в состоянии конвективного перемешивания. Перемешивание обусловлено положением области между двумя средами, резко различающимися по господствующим в них давлению и температуре. Перенос тепла из солнечных недр к поверхности происходит в результате локальных поднятий сильно нагретых масс воздуха, находящихся под высоким давлением, к периферии светила, где температура газа меньше и где начинается световой диапазон излучения Солнца. Толщина конвективной области оценивается приблизительно в 1/10 часть солнечного радиуса.
Фотосфера - это нижний из трех слоев атмосферы Солнца, расположенный непосредственно на плотной массе невидимого газа конвективной области. Фотосфера образована раскаленным ионизированным газом, температура которого у основания близка к 10000 К (т. е. абсолютная температура), а у верхней границы, расположенной примерно в 300 км выше, порядка 5000 К. Средняя температура фотосферы принимается в 5700 К. При такой температуре раскаленный газ излучает электромагнитную энергию преимущественно в оптическом диапазоне волн. Именно этот нижний слой атмосферы, видимый как желтовато-яркий диск, зрительно воспринимается нами как Солнце.
Через прозрачный воздух фотосферы в телескоп отчетливо просматривается ее основание - контакт с массой непрозрачного воздуха конвективной области. Поверхность раздела имеет зернистую структуру, называемую грануляцией . Зерна, или гранулы, имеют поперечники от 700 до 2000 км. Положение, конфигурация и размеры гранул меняются. Наблюдения показали, что каждая гранула в отдельности выражена лишь какое-то короткое время (около 5-10 мин.), а затем исчезает, заменяясь новой гранулой. На поверхности Солнца гранулы не остаются неподвижными, а совершают нерегулярные движения со скоростью примерно 2 км/сек. В совокупности светлые зерна (гранулы) занимают до 40% поверхности солнечного диска.
Процесс грануляции представляется как наличие в самом нижнем слое фотосферы непрозрачного газа конвективной области - сложной системы вертикальных круговоротов. Светлая ячея - это поступающая из глубины порция более разогретого газа по сравнению с уже охлажденной на поверхности, а потому и менее яркой, компенсационно погружающейся вниз. Яркость гранул на 10-20% больше окружающего фона указывает на различие их температур в 200-300° С.
Образно грануляцию на поверхности Солнца можно сравнить с кипением густой жидкости типа расплавленного гудрона, когда со светлыми восходящими струями появляются пузырьки воздуха, а более темные и плоские участки характеризуют погружающиеся порции жидкости.
Исследования механизма передачи энергии в газовом шаре Солнца от центральной области к поверхности и ее излучение в космическое пространство показали, что она переносится лучами. Даже в конвективной зоне, где передача энергии осуществляется движением газов, большая часть энергии переносится излучением.
Таким образом, поверхность Солнца, излучающая энергию в космическое пространство в световом диапазоне спектра электромагнитных волн, - это разреженный слой газов фотосферы и просматривающаяся сквозь нее гранулированная верхняя поверхность слоя непрозрачного газа конвективной области. В целом зернистая структура, или грануляция, признается свойственной фотосфере - нижнему слою солнечной атмосферы.
Хромосфера. При полном солнечном затмении у самого края затемненного диска Солнца видно розовое сияние - это хромосфера. Она не имеет резких границ, а представляет собой сочетание множества ярких выступов или языков пламени, находящихся в непрерывном движении. Хромосферу сравнивают иногда с горящей степью. Языки хромосферы называют спикулами. Они имеют в поперечнике от 200 до 2000 км (иногда до 10000) и достигают в высоту нескольких тысяч километров. Их надо представлять себе как вырывающиеся из Солнца потоки плазмы (раскаленного ионизированного газа).
Установлено, что переход от фотосферы к хромосфере сопровождается скачкообразным повышением температуры от 5700 К до 8000 - 10000 К. К верхней же границе хромосферы, находящейся приблизительно на высоте 14000 км от поверхности солнца, температура повышается до 15000 - 20000 К. Плотность вещества на таких высотах составляет всего 10-12 г/см3, т. е. в сотни и даже тысячи раз меньше, чем плотность нижних слоев хромосферы.
Солнечная корона - внешняя атмосфера Солнца. Некоторые астрономы называют ее атмосферой Солнца. Она образована наиболее разреженным ионизированным газом. Простирается примерно на расстояние 5 диаметров Солнца, имеет лучистое строение, слабо светится. Ее можно наблюдать только во время полного солнечного затмения . Яркость короны примерно такая же, как у Луны в полнолуние, что составляет лишь около 5/1000000 долей яркости Солнца. Корональные газы в высокой степени ионизированы, что определяет их температуру примерно в 1 млн. градусов. Внешние слои короны излучают в космическое пространство корональный газ - солнечный ветер. Это второй энергетический (после лучистого электромагнитного) поток Солнца, получаемый планетами. Скорость удаления коронального газа от Солнца возрастает от нескольких километров в секунду у короны до 450 км/сек на уровне орбиты Земли, что связано с уменьшением силы притяжения Солнца при увеличении расстояния. Постепенно разреживаясь по мере удаления от Солнца, корональный газ заполняет все межпланетное пространство. Он воздействует на тела Солнечной системы как непосредственно, так и через магнитное поле, которое несет с собой. Оно взаимодействует с магнитными полями планет. Именно корональный газ (солнечный ветер) является основной причиной полярных сияний на Земле и активности других процессов магнитосферы.
Атмосфера Солнца: фотосфера, хромосфера и солнечная корона.
Атмосфера есть не только у планет и спутников, но и у звезд. Только у последних под этим понятием подразумевается не газовая оболочка, а внешние слои звезды.
Что такое фотосфера?
Фотосфера — это внутренний слой атмосферы Солнца. Иногда этим термином называют поверхность звезды, что не очень корректно. Этот слой выполняет очень важную задачу. Фотосфера поглощает радиоактивное излучение, вызываемое превращением водорода в гелий в солнечном ядре, и отражает его во внешнюю среду. Этот слой толстый и непрозрачный.
При близком рассмотрении можно увидеть, что фотосфера имеет неоднородную структуру. Ее поверхность содержит зернышки — гранулы. Явление грануляции вызвано тем, что раскаленная плазма поднимается к поверхности, а при остывании опускается. Эти гранулы и есть эти потоки.
Что такое хромосфера?
Хромосфера — это внешний слой атмосферы, который обволакивает фотосферу. Если фотосфера имеет желтоватый цвет, то хромосфера — красноватый оттенок. Если первую можно наблюдать в любой момент, то вторую только во время солнечных затмений в виде фиолетовой тонкой полоски.
Хромосфера Солнца. Фото взято с открытых источников. Хромосфера Солнца. Фото взято с открытых источников.Хромосфера тоже имеет неоднородную структуру. Она имеет в своем составе спикулы — вытянутые лучи, которые напоминают языки пламени или траву. Есть и еще одно очень интересное формирование — протуберанец .
Это структура, похожая на пятно, которая может излучаться и возвышаться над поверхностью Солнца. Они имеют очень низкую температуру. Иногда протуберанцы могут взрываться и вызывать солнечные вспышки.
Что такое солнечная корона?
Солнечная корона — это самый внешний слой атмосферы звезды, который невозможно наблюдать при обычных условиях. Она заметна лишь при солнечных затмениях в виде лучистой сферы. Астрономы искусственно затеняют диск Солнца, чтобы изучить солнечную корону. Это связано с тем, что корона имеет очень низкую светимость.
Это самый большой слой из всех атмосферных слоев. Его внешняя граница до сих пор не установлена, но считается, что все планеты солнечной системы находятся в ее границах.
Солнечная корона имеет лучистую структуру. Вытянутые элементы в структуре называются корональными петлями и именно в них образуется солнечный ветер — выброс ионизированного излучения Солнцем. Он вызывает возмущение геомагнитного поля Земли. На планете в ответ на это возникают северные сияния и другие явления космической погоды.
Солнечная корона — это самая горячая структура в солнечной атмосфере.
Солнечная атмосфера не похожа на атмосферу Земли, ведь она не состоит из привычных газов. У нее есть свои особенности и особая форма.
Спасибо за внимание! Если вы заметили ошибку в тексте, то, пожалуйста, сообщите о ней в комментариях, там же можете предложить тему для следующей статьи : )
Подсказка 2
Зато, по данным того же календаря, в южном полушарии заметно чаще происходят кольцеобразные солнечные затмения.
Что за солнечное затмение 14 декабря?
Вечером 14 декабря 2020 года ожидается солнечное затмение, максимальная фаза которого придется на 19:13 по московскому времени. В максимуме затмение продержится 2 минуты 10 секунд. «Вживую» это явление жителям России увидеть не удастся, однако на YouTube-канале Московского планетария будет вестись онлайн-трансляция. Она начнется в 17:25 по Москве и будет сопровождаться комментариями астронома Олега Угольникова.
Что такое солнечная корона?
В понедельник, 14 декабря 2020 года, во время полного солнечного затмения можно будет увидеть астрономическое явление под названием «солнечная корона». Это серебристое сияние с лучистой структурой, которое ореолом окружает Луну, закрывшую собой Солнце. Следующее полное солнечное затмение состоится 4 декабря 2021 года, однако его максимальную фазу можно будет увидеть только в районе Антарктиды.
Подсказка 3
Очевидно, что солнечные затмения чаще происходят летом, потому что Солнце можно наблюдать только днем, а продолжительность дня летом больше. Чем лето в северном полушарии отличается от лета в южном? Чтобы ответить на этот вопрос, вспомните, какие условия должны быть соблюдены для наступления в той или иной точке Земли полного солнечного затмения.
Послесловие
На самом деле то, что угловые диаметры Солнца и Луны близки, — очень большая удача для астрономов. Во время затмения диск перекрывает фотосферу, но позволяет полностью наблюдать корону и, в течение короткого времени, значительную часть хромосферы. Если бы Луна была ближе или больше, наблюдение короны сильно осложнилось бы, а хромосферу можно было бы наблюдать только небольшими кусочками. Будь Луна дальше или меньше, мы бы наблюдали только кольцеобразные затмения — явление красивое, но для астрономов почти бесполезное. Собственно, рано или поздно так и произойдет: вследствие постепенного удаления Луны от Земли (приблизительно на 3,4 см в год) примерно через 700 миллионов лет полные солнечные затмения прекратятся.
При решении задачи мы также не учитывали тот факт, что период прохождения Земли по орбите от перигелия до перигелия (аномалистический год, 365,2396 суток) несколько меньше, чем тропический год (365,2422 суток), задающий времена года. Через срок около 41 тысячи лет прохождение перигелия совпадет с осенним равноденствием, и частота полных и кольцеобразных затмений в обоих полушариях сравняется.
Также хочется обратить внимание читателя на то, что, казалось бы, простые и всем понятные термины «месяц» и «год» оказываются столь многозначными при рассмотрении реальных орбит небесных тел. Особенно повезло в этом отношении Луне: ее движение происходит под мощным приливным действием как Земли, так и Солнца, и именно поэтому разные «месяцы» так сильно отличаются друг от друга. До появления компьютеров точный расчет движения Луны был едва ли не самой сложной из задач вычислительной астрономии.
Схема строения Солнца
- Протуберанец;
- Видимая поверхность Солнца. Плотность меньше - 1/1000000 г/см куб, температура 6000 К, давление 1/6 атмосферы;
- Конвективная зона. По мере приближения к поверхности Солнца температура быстро уменьшается. В результате происходит конвекция - перемешивание вещества и перенос энергии к поверхности светила самим веществом;
- Зона переноса энергии излучением. Она представляет собой как бы стенки ядерного котла, через которые энергия медленно просачивается наружу;
- Ядро Солнца - естественный термоядерный реактор, где происходит выделение энергии за счет превращения водорода в гелий. В центре ядра: плотность - 160 г/см куб, температура - 15 млн К, давление - 340 млрд атмосфер, т.е. условия точно такие, какие нужны для работы ядерного реактора;
- Фотосфера - из нее исходит большая часть излучаемой Солнцем энергии в видимой области спектра;
- Хромосфера - плотность и давление с высотой убывают, а температура возрастает;
- Корона - самый верхний слой атмосферы Солнца - состоит из чрезвычайно разреженной плазмы. Она постоянно расширяется в окружающее пространство и переходит в солнечный ветер. Во внутренней короне 1 млн К и выше.
Читайте также: