Urok19-Строение атмосферы Солнца
Просмотр содержимого документа
«Urok19-Строение атмосферы Солнца»
Тема: Строение атмосферы Солнца
Вспышка на солнечном пятне 875, 2.05.2006г
Солнечная атмосфера состоит из 3 х слоев: фотосфера, хромосфера, солнечная корона.
Фотосфера — светящаяся “поверхность” Солнца, нижний слой атмосферы. Излучает почти всю энергию, поэтому мы и видим резко очерченный шар, хотя Солнце не имеет резко очерченных границ.
толщина = 300-400км., Т ≈ 5800К,
ρ ср . ≈10 -4 кг/м 3 ≈10 17 атом/см 3 . Н -водород.
1) “зернистая структура”- гранулы размером до 1000км (ср. 700км), промежутки между гранулами до 300км, время существования до 8мин, одновременно наблюдается порядка миллиона гранул — отражение движения вещества: подъем и опускание в под фотосферной области за счет конвекции, начиная с глубины 0,3R (подобие кипящей рисовой каши).
Пятно на фоне грануляции.
2) Пятна — очевидный признак солнечной активности, диаметром от тысяч км до 100 000км. Они появляются на широте ∓40 0 (редко 50 0 ) группами (редко одно), но обязательно есть и на противоположной стороне Солнца и опускаются до широты ∓5 0 где исчезают (существуя от нескольких дней до нескольких месяцев). Пятно видно так как в данной области плазма более холодная (до 4500К) по сравнению с остальной частью фотосферы. Причина — торможение магнитным полем конвекции, (нисходящее течение, идущее со скоростью 2 м/с на глубину до 2000км — на поверхность поступает
Главное пятно в группе имеет одну полярность, а хвостовое — противоположную. Если в данном цикле главное имело северный магнитный полюс, то в следующем цикле главное будет иметь южный полюс.
Самая большая из когда-либо зарегистрированных групп солнечных пятен достигла своего максимума 8 апреля 1947г. Она захватила область площадью в 18130 миллионов квадратных километров.
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 5 Эрстед. Что пятно холодное и в них существует магнитное поле, установлено в 1908г Дж. Э. Хейл (1868-1938, США).
Темные сердцевины ярких волокон, которые тянутся внутрь пятна. Снимок телескопа на острове Ла Пальма.
3) Фотосферные факелы более светлые образования (более горячие, ≈ на 300 К выше), 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.
Ширина цепочек равна диаметру образующих её ярких элементов (групп гранул) и составляет ок. 5000 км, длина достигает 50 000 км. Размер факельных гранул лишь ненамного превышает размер обычных гранул. Суммарная площадь цепочек — волокон факела — ≈ в 4 раза больше площади пятна.
Менее яркие факелы встречаются и независимо от пятен. Волокна факелов отчётливо видны лишь около края диска Солнца (но не на самом краю), где превышение их яркости над фоном достигает 10-20%.
Самое большое пятно — Активный регион 904, появилось в видимой области 9 августа 2006 года. Умеренная вспышка и последовавший выброс вещества короны произошёл 17 августа 2006 года, когда пятно было повернуто почти напрямую к Земле. Снимок активной области был получен при помощи КА TRACE.
Хромосфера =(греч. «сфера цвета») красновато-фиолетовая окраска (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. По мере подъема Т- растет. Яркость хромосферы не одинакова.
а) Факелы (хромосферные)-наиболее яркие участки расположены над фотосферными нитями и факелами.
б) Вспышки мощные и быстроразвивающиеся (слабые 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 значительно реже и как правило вблизи пятен. Это внезапное выделение энергии в широком диапазоне длин волн — от жёсткого g-излучения до километровых радиоволн и выброс электрически заряженных частиц.
в) Спикулы — наблюдаются на краю хромосферы в виде язычков пламени. Диаметры спикул
1000 км, скорости подъёма или опускания ≈ 20 км/с, время жизни – минуты, обычно находятся на высоте h ≈ 3000 км.
Протуберанцы — гигантские яркие вспышки и арки, опирающиеся на хромосферу и врывающиеся в солнечную корону — это выброс вещества (плазмы), наблюдаемые в виде: арок, облаков, фонтанов. Наиболее распространены «спокойные» протуберанцы, появляющиеся обычно с развитием группы пятен, а существуют они значительно дольше пятен — до 1 года.
Другой вид протуберанцев связан с выбросами вещества вверх (обычно после вспышек) со скоростями
(быстрые — эруптивные протуберанцы).
Активная область Солнца. Высота протуберанца около 10 000км.
«Спокойный» протуберанец. Это потоки газа, втекающего из короны в зону пятен со скоростями до 100 км/с.
40 млн.км, что привело к увеличению солнечного ветра с 350 до 430 км/с у Земли . » width=»640″
Размеры протуберанцев могут быть разными, обычно они имеют высоту до 40 000км и ширину до 200 000км. Дугообразные протуберанцы достигают размера в 800 000км, но есть и рекордсмены когда размер достигает 3 млн.км.
Хотя выделить какой-то отдельный протуберанец и назвать его самым большим не удается, имеется множество удивительных примеров.
Например, на изображении, принятом со «Skylab» в 1974г, был виден петлеобразный покоящийся протуберанец, который протянулся над поверхностью Солнца больше чем на полмиллиона километров.
6 января 1997г зафиксирован “протуберанец” диаметром 40 млн.км, что привело к увеличению солнечного ветра с 350 до 430 км/с у Земли .
Солнечная корона -протяженность от 1R — 8-10 R Солнца. Наблюдается во время затмений (или с помощью коронографа) серебристо-жемчужного цвета с Т≥1млн.К, чрезвычайно разреженный газ. Структура короны довольно устойчива, существенные изменения происходят за годы.
Темные области — это корональные дыры. Они располагающиеся над поверхностью, где силовые линии солнечного магнитного поля уходят в межпланетное пространство и наблюдаются в ультрафиолетовом и рентгеновском свете. Они являются источниками интенсивного солнечного ветра,
На снимке КА TRACE (запущен 2.04.1998г) в ультрафиолетовых лучах показаны сгущения горячих корональных петель, которые простираются ввысь на 350 000 км и более. Значительный нагрев короны происходит в нижних ее слоях, у основания петель, где плазма начинает подниматься и возвращается на поверхность Солнца.
Вид корональных лучей заметно меняется в зависимости от солнечной активности.
Корона во время солнечного затмения 29.03.2006 года. Фото сделано с помощью телескопа в Сиде, Турция.
Корона во время затмения 19.06.1999 года
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 (средний) – 11,1 лет (4 года подъема – 7 лет — затухание).
Последние циклы активности и предполагаемые 24 и 25 цикл.
Рудольф Вольф (1816-1893, Швейцария) в 1852г установил 11-летний цикл появления пятен. 4 года происходит подъем, а 7 лет затухание — цикл 11,1 лет , и ввел число Вольфа W=(10 g +f) . k характеризирующую активность пятнообразований. f – число пятен, g – число групп.
К 1997г установлено, что на Солнце одновременно происходит до 30 тысяч различных взрывных событий. Их средняя продолжительность ≈1 мин, протяженность 1500 км, скорость выброса вещества до 1500 км/с.
Источник
Конспект урока по астрономии на тему «Солнце». 10, 11 класс
Цель: формирование фундаментального астрономического понятия «звезда» на примере рассмотрения физической природы и основных характеристик Солнца как ближайшей и наиболее изученной звезды.
Общеобразовательные — формирование понятий:
— об основных характеристиках Солнца как космического тела: массе, размерах, плотности, движении, химическом составе и состоянии вещества, магнитном поле, возрасте и т.д.
— о внутреннем строении Солнца (ядре, зонах лучистого переноса и конвекции) и солнечной атмосфере (фотосфере, хромосфере, короне);
— об основных параметрах внутреннего строения (температуре, давлении, плотности газа и т.д.)
— об энергетике Солнца;
— о космических явлениях, наблюдаемых в атмосфере Солнца (грануляция, пятна, факельные поля, протуберанцы, вспышки, солнечный ветер).
1) Формирование научного мировоззрения учащихся:
— в ходе знакомства с определенным типом космических объектов – звездами и при рассмотрении основных физических характеристик Солнца как ближайшей из звезд;
— при изучении материала об энергетике Солнца.
2) Атеистическое воспитание учащихся в результате опровержения мифа о «сотворении мира» в свете данных о природе и возрасте Солнца как звезды, рядовой по своим параметрам. Политехническое воспитание при знакомстве учащихся с применениями научных знаний о Солнце в практической деятельности человека.
Развивающие — формирование умений:
— анализировать информацию, объяснять свойства космических объектов на основе важнейших физических теорий;
— решать задачи на расчет основных параметров Солнца с использованием законов механики, молекулярной физики и термодинамики.
Ученики должны знать:
— об основных физических характеристиках Солнца (приближенные значения соответствующих числовых величин;);
— о внутреннем строении (ядре, зонах лучистого переноса и конвекции) и структуре атмосферы (фотосфере, хромосфере, короне) Солнца;
— о возможности расчета параметров внутреннего строения Солнца (температуре, давлении, плотности газа и т.д.) на основе законов физики;
— основные сведения о термоядерных реакциях в недрах Солнца как основе звездной энергетики;
— астрономические величины (температура фотосферы, температура и давление в центре Солнца, массу и размеры Солнца в сравнении с земными).
Ученики должны уметь:
— анализировать учебный материал, использовать обобщенный план для изучения космических объектов, делать выводы;
— решать задачи на расчет основных параметров Солнца с использованием законов механики, молекулярной физики и термодинамики.
Наглядные пособия и демонстрации:
— фотографии, схемы и рисунки телескопического вида Солнца, его внутреннего строения, объектов и явлений в атмосфере Солнца (пятна, факельные поля, протуберанцы, вспышки);
— диапозитивы «Солнце»;
— диафильмы (фрагменты диафильмов): «Солнце и жизнь на Земле»;
— кинофильмы (кинофрагменты): «Солнце»; «Солнце – главный источник энергии на Земле»;
— таблицы: «Солнце»; «Строение Солнца»; «Солнечная система».
Задание на дом: Изучить материала учебников:
— Б.А. Воронцов-Вельяминова: § 22 (1, 2); упр. 19.
Лекция, беседа, рассказ учителя
Закрепление изученного материала. Решение задач
Работа у доски, самостоятельное решение задач в тетради
Подведение итогов урока. Домашнее задание
Урок начинается с объявления о начале изучения новой, одной из важнейших в курсе астрономии, темы «Солнце и звезды». Учитель объясняет школьникам цель и задачи изучения новой темы: изучение физической природы звезд и звездных систем. Внимание учащихся обращается на следующие положения:
1. Звезды — отдельный самостоятельный тип космических тел, качественно отличающийся от других космических объектов.
2. Звезды – один из наиболее распространенных (возможно, наиболее распространенный) тип космических тел.
3. Звезды сосредотачивают в себе до 90% видимого вещества в той части Вселенной, в которой мы живем и которая доступна нашим исследованиям.
4. Атомы вещества, из которого состоит наша планета и мы сами образовались свыше 6 миллиардов лет назад в недрах звезд.
5. От ближайшей из звезд – Солнца — зависит существование и развитие жизни на Земле.
Затем в ходе фронтального опроса и беседы с учениками мы повторяем и актуализируем знания о природе Солнца и звезд, обретенные школьниками ранее на уроках природоведения, естествознания, физики среднего и старшего звена, и астрономии первого полугодия XI класса. Следует проверить понимание понятий «космические объекты», «космические тела» и «космические системы».
Далее следует лекционное изложение нового материала. Оно начинается с рассмотрения основных физических характеристик и внутреннего строения Солнца как ближайшей и наиболее подробно изученной звезды. Строение Солнца можно продемонстрировать при помощи соответствующей таблицы (при этом экономится учебное время), но для более качественного усвоения материала учениками лучше поэтапно, с соответствующими пояснениями, воспроизвести его на доске (а ученики перерисовывают ее в свои тетради).
Масса Солнца 1,989× 10 30 кг, в 333434 раз превышает массу Земли и в 750 раз — всех планетных тел Солнечной системы. Радиус Солнца 695990 км, в 109 раз больше земного. Средняя плотность солнечного вещества 1409 кг/м 3 , в 3,9 раза ниже плотности Земли. Ускорение силы тяжести на экваторе 279,98 м/с 2 (28 g). Экватор Солнца наклонен под углом 7,2 к плоскости эклиптики. Сидерический период вращения на экваторе равен 25,38 суток и увеличивается по направлению к полюсам (до 32 суток на широте 60 ). Солнце обладает магнитным полем со сложной структурой средней напряженностью 1-2 Гс.
Возраст Солнца около 5 млрд. лет.
Видимая звездная величина (блеск) Солнца -26,6 m . Мощность общего излучения Солнца 374× 10 21 кВт. Светимость Солнца 4× 10 20 Вт. Земля получает 1/2000000000 часть солнечной энергии: на площадку в 1 м 2 , перпендикулярную солнечным лучам за пределами земной атмосферы приходится 1,36 кВт лучистой энергии.
Температура видимой поверхности (фотосферы) Солнца 5770 К. Спектральный класс Солнца G2.
Химический состав Солнца: водород — 71 %, гелий — 26,5 %, остальные элементы 2,5 %. Солнце не содержит в своем составе неизвестных на Земле химических элементов.
Агрегатное состояние солнечного вещества – ионизированный атомарный газ (плазма). Вглубь Солнца, с увеличением температуры и давления, степень ионизации растет вплоть до полного разрушения атомов в ядре Солнца.
Внутреннее строение Солнца:
1. Ядро (зона термоядерных реакций) — центральная область, простирающаяся на 1/3 радиуса Солнца от его центра, вблизи которого при давлении до 2× 10 18 Па, температуре 1,5- 1,6× 10 7 К и плотности плазмы до 16 г/см 3 протекают термоядерные реакции превращения ядер атомов водорода в ядра атомов гелия, сопровождающиеся выделением колоссальной энергии. Ядро вращается как единое твердое тело с периодом 22-23 суток.
2. Зона лучистого переноса (расстояния от 1/3 до 2/3 R) – область, в которой выделяющаяся в солнечном ядре энергия передается наружу, от слоя к слою, в результате последовательного поглощения и переизлучения электромагнитных волн. Плавно распределяясь по возрастающему объему вещества, энергия (и, в соответствии с законом Вина, длина) электромагнитных волн постепенно уменьшаются от 10 -11 -10 -12 Дж (g — и жесткое рентгеновское излучение) на границе с ядром до 10 -16 Дж (жесткий ультрафиолет) на границе с конвективной зоной, где плотность плазмы составляет около 0,16 г/см 3 при давлении до 10 13 Па и температуре до 10 6 К.
3. Зона конвекции (0,29 R) простирается почти до самой видимой поверхности Солнца. В ней происходит непрерывное перемешивание (конвекция) солнечного вещества со скоростью от 1 м/с в глубине зоны до 2-3 м/с на границе с фотосферой. В энергию магнитного поля преобразуется до 0,1 % от всей поступающей в конвективную зону тепловой энергии Солнца. На дне конвективной зоны с 22-летней периодичностью накапливается намагниченная плазма, образующая мощный магнитный слой. На глубины 0,8-0,9 R появляются первые нейтральные атомы – сначала гелия, затем водорода, выше их концентрация увеличивается.
Выше простирается атмосфера Солнца, в которой выделяется ряд следующих областей:
Фотосфера (сфера света) — слой газов толщиной 350-700 км. В нижнем слое фотосферы, обладающем температуре 8000 К при давлении солнечного вещества до 10 6 Па наблюдается гранулы — ячейки верхнего яруса конвективной зоны размерами около 700 км и временем существования до 8 минут — восходящие потоки раскаленных газов. Гранулы разделяются темными промежутками шириной до 300 км. Убывание температуры в наружных слоях фотосферы приводит к тому, что в спектре видимого излучения Солнца, почти полностью возникающего в фотосфере, наблюдаются темные линии поглощения. Они называются фраунгоферовыми в честь немецкого оптика Й. Фраунгофера (1787-1826), впервые зарегистрировавшего в 1814г. несколько сотен таких линий. По той же причине (падение температуры от центра Солнца) солнечный диск с края кажется более темным. Светлые участки фотосферы , на которых поверхность Солнца разогрета до 7000-10000 К, называются факельными полями (флоккулами). Отдельные участки фотосферы с пониженной до 4000-4500 К температурой по контрасту с раскаленной окружающей поверхностью воспринимаются как черные солнечные пятна.
Фотосфера условно считается «видимой поверхностью» Солнца (хотя на самом деле это тонкий слой раскаленного ионизированного газа) потому, что в вышележащих слоях солнечной атмосферы плотность вещества уменьшается настолько, что мы видим фотосферу Солнца сквозь эти слои, которые можем наблюдать лишь в особых обстоятельствах или при помощи специальных приборов.
Хромосфера толщиной около 10 4 км наблюдается во время полных солнечных затмений как красноватое кольцо вокруг Солнца. Её температура составляет десятки и сотни тысяч кельвин. Выше 1500 км хромосфера представляет собой совокупность сравнительно плотных и горячих (6000-15000 К) газовых струй и волокон. На высоту 4000-5000 км со скоростью 20 км/с поднимаются редкие изолированные столбы солнечного вещества – хромосферные спикулы диаметром 500-3000 км, занимающие до 0,5 % солнечной поверхности. На высоту от 10 4 –10 5 км вздымаются протуберанцы — сравнительно холодные плотные облака солнечного вещества разнообразной, часто причудливой формы. Время от времени наблюдаются хромосферные вспышки – термоядерные взрывы с выделением энергии до10 25 Дж.
Корона – внешняя, наиболее разреженная часть солнечной атмосферы, обладает очень сложной и постоянно изменяющейся структурой. Корона разделяется на внутреннюю (Т 6 К) и внешнюю (Т 6 К), образующую на расстоянии в несколько радиусов Солнца поток солнечного вещества — заряженных частиц (е — , р) и электромагнитного излучения — солнечный ветер, «дующий» со скоростью от 350-400 км/с на экваторе до 700 км/с на полюсах Солнца. Лучше всего хромосферу и корону наблюдать со спутников и орбитальных космических станций в УФ-вых и рентгеновских лучах.
Солнце и звезды светят потому, что в их недрах происходят термоядерные реакции превращения ядер атомов водорода в ядра атомов гелия.
Вы уже знаете, что массы звезд в сотни тысяч раз, в миллионы раз превышают массу Земли. Такая огромная масса порождает очень сильное давление верхних слоев вещества звезды на вещество вблизи её центра. Температура и давление вглубь звезды очень быстро растут: так, если температура видимой поверхности Солнца составляет около 6 000 К, то к центру Солнца она возрастает до 15 000 000 К при давлении до 2× 10 18 Па! В недрах более массивных звезд температура и давление еще выше.
Звезды почти целиком состоят из водорода и гелия: Солнце содержит 71% водорода, 26,5% гелия и лишь 2,5% других, более тяжелых химических элементов.
Под действием высоких температур и давлений в центрах звезд ядра атомов водорода — протоны — сближаются так тесно, что силы ядерного притяжения преодолевают силы электрического отталкивания. В результате этого взаимодействия протоны объединяются, образуя ядра атома гелия. Процесс идет в 3 этапа с огромным выделением энергии.
Эти термоядерные реакции носят название протон-протонного цикла. В более массивных звездах помимо реакций протон-протонного цикла протекают более мощные термоядерные реакции азотно-углеродного цикла, в которых ядра атомов азота и углерода являются катализаторами термоядерных реакций превращения водорода в гелий.
Водород – «звездное топливо», «сгорающее» в недрах звезд для того, чтобы они могли жить и светить. С течением времени близ центра Солнца и других звезд становится все меньше водорода и все больше гелия.
Чем меньше масса звезды, тем ниже давление и температура в её недрах, тем слабее, с меньшим выделением энергии идут термоядерные реакции, тем дольше «сгорает», превращаясь в гелий, водород в ядре звезды и тем дольше она живет. У красных тусклых звезд-карликов долгий век — они живут десятки миллиардов лет.
Наше Солнце — желтая, средняя по своим характеристикам звезда класса G живет уже 5 миллиардов лет, и будет светить еще почти 8 миллиардов лет.
Существование звезд обусловлено равновесием сил тяготения и упругости (газового давления)
Наше Солнце и другие звезды можно сравнить со сверхмощными — мощностью в миллиарды миллиардов земных водородных бомб! – естественными, природными термоядерными бомбами, непрерывно взрывающимися в течение миллионов и миллиардов лет.
Почему же этот сверхмощный взрыв не разрывает, не распыляет звезду в космическом пространстве? Этому мешает сила всемирного тяготения.
Масса звезд настолько велика, что сила тяготения мешает веществу звезды разлетаться в окружающем пространстве, притягивает его к центру звезды.
На каждую частицу вещества внутри звезды постоянно действуют две силы: одна из них — сила давления световых лучей и раскаленного газа, возникающая в ходе термоядерных реакций в недрах звезды, отталкивает эту частицу вещества прочь от звезды; другая — сила тяготения — стремится притянуть её обратно. Эти силы равны по величине, но противоположны по направлению. Они уравновешивают друг друга миллионы и миллиарды лет.
Солнечно-земные связи. Солнце оказывает огромное влияние на явления, происходящие на Земле. Коротковолновое его излучение определяет важнейшие физико-химические процессы в верхних слоях земной атмосферы. Видимые и ИК лучи являются основными поставщиками тепла для Земли. В различных странах мира, в том числе и в нашей стране, проводятся работы по более широкому использованию солнечной энергии для хозяйственных и промышленных целей. Солнце не только согревает и освещает Землю. Проявление солнечной активности сопутствует возникновению целого ряда геофизических явлений. Потоки заряженных частиц, ускоренные во вспышках, влияют на магнитное поле З. и вызывают магнитные бури, которые приводят к проникновению заряженных частиц в более низкие слои атмосферы, отчего и возникают полярные сияния. Коротковолновое излучение С. Усиливает ионизацию верхних слоев атмосферы, что сильно влияет на условия распространения радиоволн, иногда нарушается радиосвязь. Оказалось, то активные процессы на С., влияя на атмосферу и магнитное поле З., косвенным образом влияют и на сложные процессы органического мира – как животного, так и растительного. Эти воздействия и механизм в настоящее время исследуются учеными.
На заключительном этапе урока можно предложить ученикам выполнить 1-3 задачи.
Какая энергия поступает за 1мин. от Солнца в озеро площадью 1 км в ясную погоду, если высота Солнца над горизонтом 30, а атмосфера пропускает 80% излучения?
Решение: Т.к. солнечная постоянная составляет 1,36 кВт/м 2 (за пределами атмосферы), то на 1м 2 озера за 1 сек поступает энергия, равная
1,36*10 3 Дж/(с*м 2 )*0,8*0,5=544 Дж/(с*м 2 ), а на всю его площадь за 1 мин:
544 Дж/(с*м 2 ) 60с*10 6 м 2 =3,3*10 10 Дж.
Какая мощность излучения в среднем приходится на 1 кг солнечного вещества?
Решение: зная полную мощность излучения Солнца (его светимость L =4 10 26 Вт) и его массу (М=2 10 30 кг), нетрудно рассчитать, что искомая величина составляет 2 10 -4 Вт/кг.
Определите площадь солнечного пятна (см рис 68). (Темный круг слева внизу от пятна соответствует размеру Земли в масштабе фотографии).
Решение: для решения задачи необходимо прежде всего, определить диаметры Земли и солнечного пятна в масштабе фото (примерно 1 и 1,8 см соответственно). Затем, зная истинный диаметр Земли (12740 км), легко вычислить диаметр солнечного пятна (в км), а затем и его площадь (в км 2 ).
Источник