«Космос. От Солнечной системы вглубь Вселенной»

Мы продолжаем знакомить вас с книгами, вошедшими в лонг-лист премии научно-популярной литературы «Просветитель» 2017 года. Сегодня это «Космос. От Солнечной системы вглубь Вселенной» М. Я. Марова. В ней последовательно и подробно описываются как объекты Солнечной системы, так и другие космические объекты и явления, лежащие за ее пределами. Предлагаем вам познакомиться с первой главой, в которой речь, естественно, идет о Солнце. Фрагменты других книг — участников премии, опубликованные на сайте N + 1, можно найти здесь.

Поделиться

Солнце как звезда. Общие свойства

Солнце — центральное светило, вокруг которого обращаются все планеты и малые тела Солнечной системы. Это не только центр тяготения, но и источник энергии, обеспечивающий тепловой баланс и природные условия на планетах, в том числе жизнь на Земле. Движение Солнца относительно звезд (и горизонта) изучалось с древних времен, чтобы создавать календари, которые люди использовали, прежде всего, для сельскохозяйственных нужд. Григорианский календарь, в настоящее время используемый почти повсюду в мире, является по существу солнечным календарем, основанным на циклическом обращении Земли вокруг Солнца. Визуальная звездная величина Солнца равна 26,74^m, и оно является самым ярким объектом на нашем небе.

Солнце — рядовая звезда, находящаяся в нашей галактике, называемой просто Галактика или Млечный Путь, на расстоянии 2/3 от ее центра, что составляет 26 000 световых лет, или ~10кпк, и на расстоянии ~25пк от плоскости Галактики. Оно обращается вокруг ее центра со скоростью ~220км/с и периодом 225–250 миллионов лет (галактический год) по часовой стрелке, если смотреть со стороны северного галактического полюса. Орбита является, как предполагают, приблизительно эллиптической и испытывает возмущения галактических спиральных рукавов из-за неоднородных распределений звездных масс. Кроме того, Солнце совершает периодические перемещения вверх и вниз относительно плоскости Галактики от двух до трех раз за оборот. Это приводит к изменению гравитационных возмущений и, в частности, оказывает сильное влияние на устойчивость положения объектов на краю Солнечной системы. Это служит причиной вторжения комет из Облака Оорта внутрь Солнечной системы, что ведет к увеличению ударных событий. Вообще же, с точки зрения различного рода возмущений, мы находимся в довольно благоприятной зоне в одном из спиральных рукавов нашей Галактики на расстоянии ~2/3 от ее центра.

В современную эпоху Солнце расположено вблизи внутренней стороны рукава Ориона, перемещаясь внутри Местного Межзвездного Облака (ММО), заполненного разреженным горячим газом, возможно остатком взрыва сверхновой. Как мы увидим в гл. 10, эту область называют галактической обитаемой зоной. Солнце движется в Млечном Пути (относительно других близких звезд) по направлению к звезде Вега в созвездии Лира под углом приблизительно 60° от направления к галактическому центру; его называют движением к апексу. Интересно, что, так как наша Галактика также перемещается относительно космического микроволнового фонового излучения (CMB — Cosmic Microvawe Background, см. гл. 11) со скоростью 550км/с в направлении созвездия Гидры, результирующая (остаточная) скорость Солнца относительно CMB составляет около 370км/с и направлена к созвездию Льва. Заметим, что Солнце в своем движении испытывает небольшие возмущения от планет, прежде всего Юпитера, образуя с ним общий гравитационный центр Солнечной системы — барицентр, расположенный в пределах радиуса Солнца. Каждые несколько сотен лет барицентрическое движение переключается от прямого (проградного) к обратому (ретроградному).

Солнце сформировалось примерно 4,5 млрд лет назад, когда быстрое сжатие облака молекулярного водорода под действием гравитационных сил привело к образованию в нашей области Галактики переменной звезды первого типа звездного населения — звезды типа T Тельца (T Tauri). После начала в солнечном ядре реакций термоядерного синтеза (превращения водорода в гелий) Солнце перешло на главную последовательность диаграммы Герцшпрунга–Рассела (ГР) (см. гл.6). Солнце классифицируется как желтая карликовая звезда класса G2V, которая кажется желтой при наблюдении с Земли из-за небольшого избытка желтого света в ее спектре, вызванного рассеянием в атмосфере синих лучей. Римская цифра V в обозначении G2V означает, что Солнце принадлежит главной последовательности ГР-диаграммы. Как предполагают, в самый ранний период эволюции, до момента перехода на главную последовательность, оно находилось на так называемом треке Хаяши, где сжималось и, соответственно, уменьшало светимость при сохранении примерно той же самой температуры. Следуя эволюционному сценарию, типичному для звезд низкой и средней массы, находящихся на главной последовательности, Солнце прошло примерно половину пути активной стадии своего жизненного цикла (превращения водорода в гелий в реакциях термоядерного синтеза), составляющего в общей сложности примерно 10 млрд лет, и сохранит эту активность в течение последующих приблизительно 5 млрд лет. Солнце ежегодно теряет 10^-14 своей массы, а суммарные потери на протяжении всей его жизни составят 0,01%.

По своей природе Солнце — плазменный шар диаметром приблизительно 1,5 млн км. Точные значения его экваториального радиуса и среднего диаметра составляют соответственно 695 500 км и 1 392 000 км. Это на два порядка больше размера Земли и на порядок больше размера Юпитера. Средний угловой размер Солнца при наблюдении с Земли равен 31 59 и изменяется в пределах от 31ʹ 27ʹʹ до 32ʹ 31ʹʹ, а наклон оси вращения к эклиптике 7,25°. Солнце вращается вокруг своей оси против часовой стрелки (если смотреть с Северного полюса мира), скорость вращения внешних видимых слоев составляет 7 284 км/час. Сидерический период вращения на экваторе равен 25,38 сут., в то время как период на полюсах намного длиннее — 33,5 сут., т.е. атмосфера на полюсах вращается медленнее, чем на экваторе. Это различие возникает из-за дифференциального вращения, вызванного конвекцией и неравномерным переносом масс из ядра наружу, и связано с перераспределением углового момента. При наблюдении с Земли кажущийся период вращения составляет приблизительно 28 дней.

Дифференциальное вращение влияет на структуру магнитного поля и, в частности, приводит к закручиванию магнитных силовых линий. Петли магнитного поля, проецируемые к поверхности Солнца, вызывают солнечные пятна и протуберанцы. По существующим представлениям, за генерацию солнечного магнитного поля ответственна разновидность магнитного гидродинамического динамо, сочетающего взаимодействие полоидального и тороидального полей во внутренней конвективной зоне Солнца. С механизмом динамо связан 11-летний цикл солнечной активности и изменение полярности магнитного поля Солнца каждые 11 лет.

Фигура Солнца почти сферическая, ее сплюснутость незначительная, всего 9 миллионных долей. Это означает, что его полярный радиус меньше экваториального только на ~10 км. Масса Солнца равна 1,99x10³³ г (~330 000 масс Земли), а средняя плотность составляет 1,41г/см³ (почти в 4 раза меньше плотности Земли). Солнце заключает в себе 99,86% массы всей Солнечной системы. Ускорение силы тяжести (на экваторе) g=274,0 м/с² (27,94g_E), вторая космическая скорость V_e = 617,7 км/с (в 55 раз больше, чем для Земли).

Эффективная температура солнечной «поверхности» (T_eff = 5 777 K) относится к видимому слою — фотосфере, в то время как температура в центре ядра ~1,57x10⁷ K, а температура внешней атмосферы (короны) ~5x10⁶ K. При столь высоких температурах газы находятся в плазменном состоянии. Фотосфера, в основном, ответственна за все испускаемое излучение, поскольку газ, находящийся выше фотосферы, слишком холодный и слишком разряженный, чтобы излучать существенное количество света. Яркость Солнца огромна, она составляет 3,85x10³³ эрг/с и примерно соответствует планковскому излучению черного тела при температуре ~6 000 K.

Спустя примерно 1 млрд лет после выхода на Главную последовательность (по оценкам между 3,8 и 2,5 млрд лет тому назад) яркость Солнца увеличилась примерно на 30%. Совершенно очевидно, что с изменением светимости Солнца напрямую связаны проблемы климатической эволюции планет. Особенно это касается Земли, температура на поверхности которой, необходимая для сохранения жидкой воды (и, вероятно, происхождения жизни), могла быть достигнута только за счет более высокого содержания в атмосфере парниковых газов, чтобы компенсировать низкую инсоляцию. Эта проблема носит название «парадокса молодого Солнца». В последующий период яркость Солнца (также как и его радиус) продолжали медленно расти. По существующим оценкам, Солнце становится приблизительно на 10% ярче каждые один миллиард лет. Соответственно, поверхностные температуры планет (включая температуру на Земле) медленно повышаются. Примерно через 3,5 млрд лет от настоящего времени яркость Солнца возрастет на 40%, и к этому времени условия на Земле будут подобны условиям на сегодняшней Венере.

В настоящее время количество энергии, приходящейся на единицу площади поверхности Земли (солнечная постоянная, относящаяся к верхней границе атмосферы), составляет 1 368 Вт x м², или ~2 кал x см^-2 x мин^-1. Это примерно одна миллиардная часть мощности солнечного излучения. В течение 11-летнего солнечного цикла (см. ниже) солнечная постоянная изменяется незначительно, в пределах ~0,2%, хотя существенно изменяется спектральный состав излучения, прежде всего в УФ- и рентгеновском диапазонах длин волн. Эти небольшие в энергетическом отношении диапазоны оказывают решающее воздействие на состояние верхней атмосферы и околопланетного космического пространства. Атмосфера и облака ослабляют солнечный свет почти экспоненциально, и количество энергии, достигающей земной поверхности, почти на 30% меньше (~1 000 Вт/м² , чем при ясной погоде и когда Солнце находится вблизи зенита.

К концу своей жизни Солнце перейдет в состояние красного гиганта. Водородное топливо в ядре будет исчерпано, его внешние слои сильно расширятся, а ядро сожмется и нагреется. Водородный синтез продолжится вдоль оболочки, окружающей гелиевое ядро, а сама оболочка будет постоянно расширяться. Будет образовываться все большее количество гелия, и температура ядра будет расти. При достижении в ядре температуры ~100 миллионов градусов начнется горение гелия с образованием углерода. Это, вероятно, заключительная фаза активности Солнца, поскольку его масса недостаточна для начала более поздних стадий ядерного синтеза с участием более тяжелых элементов — азота и кислорода (см. гл. 6). Из-за сравнительно небольшой массы жизнь Солнца не окончится взрывом сверхновой звезды. Вместо этого будут происходить интенсивные тепловые пульсации, которые заставят Солнце сбросить внешние оболочки, и из них образуется планетарная туманность. В ходе дальнейшей эволюции образуется очень горячее вырожденное ядро — белый карлик, лишенный собственных источников термоядерной энергии, с очень высокой плотностью вещества, который будет медленно охлаждаться и, как предсказывает теория, через десятки миллиардов лет превратится в невидимый черный карлик.

Читайте подробнее:
Маров М. Я. Космос. От Солнечной системы вглубь Вселенной. — М.: Физматлит, 2016.