Почему солнечная корона намного горячее поверхности Солнца? Рассказывают астрофизики
Температура внешней атмосферы Солнца, так называемой «солнечной короны» — более 2 млн градусов Цельсия, тогда как газовая поверхность звезды нагревается всего до 5 тыс. градусов Цельсия. Несмотря на это, в ядре Солнца температура может доходить и до 15 млн градусов. Астрофизики журнала «EurekAlert!» попытались объяснить этот феномен.
11 августа 2018 года организация НАСА запустит один из своих амбициозных проектов — зонд Parker, который приблизится максимально близко к поверхности Солнца — 6,1 млн км, возможно, даже коснется его и не расплавится.
«Корона, через которую полетит Parker Solar Probe, имеет чрезвычайно высокую температуру, но очень низкую плотность», — объяснила инженер Сюзанна Дарлинг из НАСА.
Благодаря этому свойству теплозащитный экран, закрывающий Parker Solar Probe, будет нагреваться всего на 1 644 °C.
«Подумайте о различии между тем, как положить руку в горячую духовку или в кастрюлю с кипящей водой. В духовке ваша рука сможет выдержать гораздо более высокие температуры, поскольку там ниже плотность пространства. Аналогично этому происходит и на Солнце — корона менее плотная, поэтому космический аппарат взаимодействует с меньшим количеством частиц и не получает огромного количества тепла».
При этом человечество довольно мало знает о солнечной короне. Источниками для изучения становились только солнечные затмения, поскольку Луна блокировала самую яркую часть звезды — это позволило наблюдать за тусклой внешней атмосферой Солнца.
В 1869 году астрофизики во время полного солнечного затмения наблюдали зеленую спектральную линию. Поскольку различные элементы излучают свет на характерных для них длинах волн, ученые могут использовать спектрометры для анализа света и, соответственно, определения его состава. При этом зеленая линия, наблюдаемая с Земли в 1869 году, не соответствовала каким-либо известным элементам на Земле. Ученые тогда подумали, что обнаружили новый элемент, и назвали его корониумом.
Ученые предлагают затенить Солнце, чтобы спасти коралловые рифы
Только в середине XX века шведские физики поняли, что корониум на самом деле — не новый элемент, а железо, перегретое до такой степени, что было ионизировано 13 раз — у него осталась только половина электронов атома обычного железа. Такой процесс ионизации может случиться, только если корональные температуры составляют более 2 млн градусов по Цельсию — это в 200 раз больше, чем на поверхности.
За время открытия корональной атмосферы ученые со всего мира пытались понять ее поведение, но даже самые сложные модели и наблюдения со спутников в высоком разрешении лишь частично объясняют такое резкое нагревание. А многие теории противоречат друг другу.
Астрономы обнаружили 12 новых спутников Юпитера
Люди могут находиться только в экспансивной атмосфере Солнца, поэтому данные, которые ученые получают от анализа солнечной плазмы в околоземном пространстве, резко отличаются от информации о звезде, которую можно получить, находясь рядом с ним. За те 146 млн км, которые солнечный ветер добирается за четыре дня до Земли, он множество раз смешивается с другими частицами и теряет огромное количество своих определяющих черт.
При этом близко к короне спутник Parker будет соприкасаться только с идентичными горячими частицами. Спутник проверит две главные теории, которые объясняют корональное нагревание.
13 июля пройдет солнечное затмение суперлуной
Одна из теорий считает, что главной причиной экстремальных температур короны являются электромагнитные волны определенной частоты — волны Альвена — выходящие из глубины Солнца в корону и посылающие заряженные частицы, которые вращаются и нагревают атмосферу. Это немного похоже на то, как океанские волны ускоряют движение серферов к берегу, отмечают ученые.
Согласно другой теории, микроразрывы, называемые нанофларами, — слишком маленькие и быстрые для обнаружения, — могут нагревать корону. Эти теории пока невозможно доказать, поэтому данные со спутника НАСА могут значительно продвинуть солнечную астрофизику.
Источник
Насколько близко можно подойти к Солнцу
Солнце – это самая близкая к нам звезда, и логичнее всего будет, если человечество до конца изучит сначала его, а потом перейдет к остальным. Однако на пути человека становятся огромная температура Солнца, поверхность которого – самая холодная часть звезды, и радиация. При такой высокой температуре – 5500 °С – легко расплавляется любое вещество. Не может быть никаких разговоров о том, чтобы послать на Солнце космический корабль с людьми. Но это вовсе не мешает узнать, насколько близко можно подойти к нашей горячей звезде. Расстояние от Земли до Солнца составляет приблизительно 150 миллионов километров. До того, как полностью сгореть, к звезде можно приблизиться на 145 миллионов километров.
Но все не так просто: астронавт не сможет приблизиться к Солнцу даже на такое расстояние, а все из-за того, что современные костюмы, изготовленные специально для путешествий в космическом пространстве, не выдерживают высоких температур. По словам Ральфа МакНатта (Ralph McNutt) из НАСА, занимающегося разработкой каркаса для аппарата, который отправят на Меркурий, костюм может выдержать температуру до 120°С. Даже несмотря на то, что тепло, испускаемое Солнцем, рассеивается, человек в таком костюме почувствует жар, уже находясь в 5 миллионах километров от Солнца. При температуре внешней среды выше 120°С, костюм превратится в горячую баню, произойдет обезвоживание, и человек умрет.
А вот на космическом корабле к Солнцу можно будет подойти все же ближе. Его специально изготовленный каркас может выдержать температуру до 2500°С, что позволит кораблю и пассажирам пережить волну тепла при вхождении в атмосферу. Если такой каркас будет покрывать весь корабль, то астронавты смогут находиться в непосредственной близости к звезде: на расстоянии в 2 миллиона километров от Солнца. Как только температура превысит 2500°С, каркас начнет плавиться. Когда она станет еще выше, то корабль сгорит меньше, чем за минуту.
Однако, успех в этом деле зависит не только от преодоления высоких температур. Как говорит Эдди Семонес (Eddie Semones) из НАСА, радиация остановит корабль еще на половине пути к Солнцу.
Источник
Температура поверхности Солнца
Солнце является уникальной звездой нашей Солнечной системы. В древности люди поклонялись ему, приносили щедрые дары и жертвы. Солнце является источником жизни на Земле, но температура там настолько огромна, что на нашей планете таких значений просто не существует. Так какие температурные значения на поверхности Солнца, в ядре и короне?
Каждая звезда обладает уникальными составными характеристиками и параметрами, от которых во многом зависит, возможна ли жизнь на близлежащих планетах. Жизнь на Земле – единственной населённой планете солнечной системы – без самого Солнца представить невозможно. И всё наше существование напрямую зависит в первую очередь оттого, какие процессы происходят на нём.
Солнце даёт необходимое тепло, свет, энергию, используя которую земные организмы могут нормально функционировать. Тем не менее, значительная перемена в параметрах этой звезды способна повлечь за собой гибель всего сущего. Даже самые древние культуры поклонялись небесному светилу, сравнивали его с всесильным божеством, дарующим жизнь. Особенно отчётливо это видно в такой древнейшей религии, как язычество, в том числе египетские мифы. Что же из себя представляет наше солнце? Раскалённый газовый шар, состав которого в процентном содержании можно обозначить следующим образом:
— 2% — прочие элементы и их соединения.
Учёные, занимающиеся «солнечными» исследованиями, попробовали установить примерный возраст нашей звезды. По приблизительным подсчётам, он составляет около 5 миллиардов лет. Исследователи выдвигали теорию, по которой ещё через 4 миллиарда звезда станет светить гораздо ярче, чем сейчас.
Ещё одна интересная особенность светила состоит в том, что оно имеет свой цикл – так называем цикл Швабе. Он составляет примерно 11 лет, в течение которых меняется солнечная активность. Есть и удвоенный цикл Швабе – 22 года соответственно. Считается, что именно в течение этого периода магнитное поле Солнца восстанавливается до прежнего состояния.
Прежде чем мы перейдём к показателям в различных частях звезды, необходимо узнать, из чего, собственно, она состоит. Центр солнца образует ядро – оно в среднем занимает около четверти всего объёма светила. Ядро очень плотное само по себе – практически в 150 раз плотнее, чем вода, что и позволяет неустанно протекать термоядерным реакциям.
Следующий слой – лучистая зона, она же – зона переноса. В ней постоянно перемещаются фотоны, и несмотря на то что это движение непрерывно, следующего за лучистой зоной слоя они достигают более ста семидесяти тысяч лет. Наконец, верхняя зона – конвективная. Здесь постоянно циркулируют горячие потоки плазмы. Между конвективной и лучистой зонами расположено тонкое, но чрезвычайно мощное магнитное поле.
Температура Солнца
Ни для кого не секрет, что температурные значения звезды поистине колоссальные. Тем не менее, мало кто сможет назвать даже примерную цифру. А она равна 14 миллионам градусов Цельсия! Откуда же появляются такие невероятные цифры?
Обусловлено это тем, что на Солнце неустанно проходят термоядерные реакции. Они возникают в результате деления ядер водорода под действием высокого давления. Впоследствии происходит синтез более крупных ядер гелия и освобождение мощного потока энергии. Собственно, за счёт данной энергии и поддерживается высокая температура.
Самые низкие значения на поверхности, самые высокие – в ядре. Стоит учесть, что наиболее точные показатели ввиду отсутствия настолько надёжного оборудования заполучить так и не удалось, оттого все значения в той или иной мере приближены к действительности.
Начнём с температуры короны – части солнечной атмосферы. Наблюдать корону можно во время затмений. Когда Луна закрывает собой звезду, вокруг неё остаётся рыжий светящийся ореол. Как раз он и называется короной. Чтобы изучить её, даже есть специальные приборы, используемые во время затмений – коронографы. Корона может нагреваться до 1 500 000 миллиона градусов Цельсия. Необходимо учитывать, что в разных участках это значение варьируется.
Температура самых верхних слоёв поверхности достигает приблизительно 5000 градусов. Самым раскалённым, что вполне ожидаемо, является ядро. Именно в нём по примерным измерениям температурные значения преодолевают отметку в 15,5 миллионов °C. За неимением настолько мощных устройств, которые могли бы проникнуть на Солнце и измерить точную температуру ядра, учёные идут на риск и активно занимаются моделированием и экспериментами. Они пробуют воссоздать условия термоядерных реакций на звезде и фиксируют получаемые значения. Их задача – с нужной степенью достоверности прикинуть, как ведёт себя раскалённая плазма в естественных условиях.
Должно быть, увидев значения на поверхности и короне, вы задались совершенно логичным вопросом: почему же корона, находясь гораздо дальше от ядра, настолько горячее?
На самом деле, как таковой атмосферы у солнца нет. Но есть слой, который имеет ряд сходств с ней. Его принято именовать фотосферой, и в высоту он составляет около 500 километров над поверхностью светила. Здесь особенно активны конвекционные процессы, вследствие которых более горячие воздушные потоки поднимаются снизу наверх. Так самая тёплая часть и получается выше. Следует учесть, что солнце не статично. Оно тоже вращается вокруг своей оси, но совершенно не таким образом, как все планеты солнечной системы.
Объясняется это отсутствием у солнца действительно твёрдого ядра. Оно пластично и не имеет чётко обозначенной твёрдой формы. Это, в свою очередь, отражается и на траектории движения. Как показали изучения других ближайших к нам звёзд, в их движении есть ряд сходств.
Уровень радиации на поверхности запределен, отчего она и превращается в свет, который помогает нам, находящимся на безопасном расстоянии, спокойно существовать. Что касается пятен на звезде, то это области, в которых температура ниже, чем в других участках. Именно поэтому они существенно темнее – радиация превращается в свет не так интенсивно. Некоторые пятна то появляются, то исчезают. Причём, просуществовать они могут от нескольких дней до нескольких недель – относительно небольшой промежуток времени. Тем не менее, не стоит принижать их роли – всё же, некоторые пятна гораздо крупнее, чем весь диаметр Земли.
У пятен есть и полные противоположности – так называемые факелы. И если первые темнее и холоднее, то последние, напротив, ярче и горячее. Это своеобразные участки ультраяркости, где энергия реакций достигает своего пика. Как ни странно, два этих явления взаимообусловлены: там, где были пятна, образуются факелы и наоборот.
Ещё один своеобразный элемент фотосферы – гранулы. Они в телескопе выглядят как маленькие ячейки на рыжем шаре. Каждая из этих ячеек охватывает тысячи километров солнечной поверхности. Отдельные гранулы можно увидеть и простым взглядом. Есть и супергранулы – от обычных они отличаются выдающимися габаритами, охватывая объём до 35 000 километров.
Выше фотосферы – хромосфера. Она заметно холоднее – на тысячу градусов по сравнению с предшественницей (4320). В хромосфере сосредоточена внушительная часть водорода. Он придаёт этому слою своеобразной солнечной атмосферы красноватый оттенок. Мощность нашей звезды – 386 миллиардов МегаВатт. Для сравнения – в обычной лампочке накаливания 25 Ватт.
Температура на планетах
Теперь немного отдалимся от Солнца и перейдём к близлежащим от него планетам.
Самый близкий к звезде, а оттого и самый раскалённый. Анализируя теплоту на Меркурии, необходимо иметь в виду, что у него нет атмосферы, задерживающей температуру надолго. Именно поэтому он может как нагреваться до 427 °C, так и охлаждаться до -173. И всё это буквально за сутки!
Вторая по близости к небесному светилу планета, которая по размерам гораздо крупнее Меркурия. Как ни странно, но, находясь дальше от источника света, она в среднем горячее Меркурия. Обусловлено это тем, что, в отличие от последнего, у неё присутствует достаточно плотная атмосфера. Конечно, она непригодна для дыхания, ведь облака состоят сплошь из двуокиси серы и углекислого газа. Тем не менее, раскалённый воздух они удерживают надёжно. В связи с чем температура тут достигает отметки в 460°C. Эта планета – самый яркий пример парникового эффекта. Не способная к охлаждению, она мгновенно превращается в печь.
Перейдём к нашему родному дому. И здесь найдётся немало интересного. Земле тоже свойственны большие перепады температур, хотя, естественно, она сильно уступает безатмосферному Меркурию. В целом условия на нашей планете можно назвать благоприятными. Средняя температура в год составляет 7 градусов. При этом самый высокий показатель за всю историю был зафиксирован в Иране и равен семидесяти градусам! Самый низкий же, как и предполагалось, в Антарктиде – до минус девяноста °C.
Марс оказывается закономерно холоднее Земли. Это вполне объяснимо, потому что он лишён атмосферы и, к тому же, находится дальше от источника света. Ещё одна особенность связана с тем, что орбита красной планеты имеет эллиптическую форму – соответственно, в некоторых точках она ближе к солнцу, чем в других. Именно поэтому на Марсе наблюдается разница температур в разных местах вплоть до 30 градусов. В среднем, температурный минимум здесь достигает минус 140, а максимум двадцати °C.
Имеет больше схожего со звездой, чем может показаться на первый взгляд. Дело в том, что Юпитер – газовый гигант. Строго говоря, у него нет чётко обозначенной поверхности. Это влечёт за собой ещё ряд специфических особенностей. У него есть подобие атмосферы, и на самых верхних облаках достаточно холодно – минус 145 градусов Цельсия. Дальше — интереснее. На линии так называемой поверхности значительно теплеет – до двадцати одного градуса. Исследователи даже посмеивались, что это, если так подумать, комнатная температура.
Обусловлено это тем, что давление у воображаемой поверхности до десяти раз больше, чем в облаках. Но самым горячим, конечно же, является ядро. Оно раскалено до 24 000 °C. Если хотите сравнить, то поверхность Солнца, в общем-то, холоднее практически в пять раз.
Сатурн
Ещё одна специфическая планета. На самых верхних слоях атмосферы по-прежнему невыносимо холодно – 175 с˚. Но чем ближе к ядру, тем теплее. Конечно, Сатурн не такой горячий, как Юпитер, но и его центр нагрет до 11 700 с˚. Особенность планеты заключается в том, что она сама в некотором роде источает тепло. Как это возможно, особенно в таком отдалении от звезды?
В первую очередь потому, что потоки частиц с Сатурна вступают во взаимодействие с солнечным ветром, что ведёт к появлению сияний на полюсах. Эти сияния – концентрация электрических токов, которые и служат «на разогреве» планеты. По примерным подсчётам, Сатурн самостоятельно преумножает тепло светила в 2, 5 раза.
Самый холодный во всей солнечной системе. Измерения проводятся периодически, но самый низкий показатель, который удалось зарегистрировать, равнялся – 224 градусов Цельсия. И причина не только в том, что Уран расположен далеко. Помимо всего прочего, у него достаточно слабое ядро, которое не способно сильно нагревать планету, хотя соседи Урана сохраняют относительно высокую температуру в том числе и благодаря этому фактору. Его показатель — 4737°C, и это, учитывая его размеры, самое низкое значение из всех в солнечной системе.
Нептуну с теплотой от светила тоже не слишком повезло. Расположенный дальше всех, он в атмосфере держит планку в минус двести восемнадцать °C. Тем не менее, от Урана его отличает одна очень существенная деталь. Ядро Нептуна гораздо горячее, чем у ближайшего соседа. Оно прогревается до семи тысяч градусов.
Много споров было о том, считается ли Плутон планетой вообще. Мы будем рассматривать его отдельно от предшественников. Эта карликовая планета маленькая и холодная, что неудивительно: от солнца его отделяют практически шесть миллиардов километров. Температура варьируется, но обычно близка к – 223 °C.
Из-за такого холода атмосфера Плутона замерзает и буквально «выпадает» на его поверхность в форме льдов. Когда же в ходе движения по небосклону Плутон становится ближе к Солнцу, он опять «оттаивает», и ледники переходят в газообразное состояние.
Источник