Атмосфера Солнца

Атмосферой Солнца называют три внешних слоя Солнца, расположенные выше конвективной зоны, и состоящие (по числу атомов) в основном из водорода, 10% гелия, 1/1000 углерода, азота и кислорода и 1/10 000 металлов вместе со всеми остальными химическими элементами.
Атмосферу Солнца принято разделять на фотосферу, хромосферу и корону, которая переходит в солнечный ветер.

Фотосфера

Фотосфера (перевод с греческого «сфера света») — слой атмосферы звезды,кажущаяся поверхность Солнца, В фотосфере формируется доходящий до нас непрерывный спектр оптического излучения звезд.
Толщина фотосферы Солнца — 300-400 км. Для Солнца температура в фотосфере уменьшается с высотой от 8000-10000 o К до минимальной на Солнце температуры около 4300 o К.
. Плотность фотосферы составляет от 10 -8 до 10 -9 г/смЗ (концентрация частиц от 10 15 до 10 16 1/см3), давление около 0.1 атм.
При таких условиях все атомы с небольшими потенциалами ионизации (в несколько вольт, например Na, K, Ca) оказываются ионизованными. Остальные элементы, в том числе водород, энергия ионизации которого 13.6 эВ, остаются преимущественно в нейтральном состоянии. Фотосфера — единственный на Солнце слой, где водород почти нейтрален.
Поверхность Фотосферы Солнца покрыта гранулами. Размер гранул от 200 до 2000 км, продолжительность их существования от 1 до 10 мин. Гранулы являются верхушками конвективных ячеек, расположенных в конвективной зоне.

Фотография солнечного пятна. По переферии — сетка гранул

Спектральные линии в гранулах и промежутках между ними смещены соответственно в синюю и красную стороны. Это означает, что в средней части гранул подфотосферное солнечное вещество поднимается на поверхность, а на краях гранул стекает вниз. Скорость этих движений составляет 1 — 2 км/с. Поэтому температура в центре гранул выше, чем на периферии. «Глубина» гранул, по-видимому, достигает нескольких сотен, а то и тысячи километров. Грануляция фотосферы практически не зависит от гелиоцентрической широты и фазы цикла СА.

Хромосфера

Хромосфера обнаруживается при полном солнечном затмении как тонкий окрашенный (розоватый) ободок вокруг Солнца. Отсюда и ее название.

Ее толщина около 15*10 3 км. Концентрация частиц в хромосфере ниже, чем в фотосфере, и уменьшается с высотой от 10 14 до 10 10 1/см3. Температура в хромосфере растет с высотой неравномерно: в нижней части — медленно,4500-4800 о К, а в средней и верхней частях — быстро, достигая на границе с короной в переходном слое значений 10 6 о К . В хромосфере по мере продвижения вверх последовательно ионизуются водород, гелий и др. химические элементы. До высоты 1500 км лежит сравнительно плотная нижняя хромосфера, а выше простираются средний (1500-4000 км) и верхний слои, отличающиеся очень неоднородной структурой.
Наиболее мелкие структурные образования в хромосфере называются спикулами. Они имеют продолговатую форму, причем вытянуты преимущественно в радиальном направлении. Длина их составляет несколько тысяч километров, а толщина — около одной тысячи километров. Со скоростями в несколько десятков километров в секунду спикулы поднимаются из хромосферы в корону и растворяются в ней. Таким образом, через спикулы происходит обмен веществом между хромосферой и вышележащей короной. Спикулы, в свою очередь, образуют более крупную структуру, называемую хромосферной сеткой. Она состоит из отдельных ячеек размером (30 -60 )*10 3 км.

Часто наблюдается фибрильная структура хромосферы, отражающая характер магнитных полей, вынесенных конвекцией из-под фотосферы в хромосферу, т.е. фибриллы — это петли магнитного поля на поверхности Солнца. Интенсивное появление фибрилл сопутствует рождению новой активной области на Солнце. В активные периоды в хромосфере Солнца наблюдают вспышки и флоккулы. (см солнечная активность)

Солнечная корона

Солнечная корона — самая внешняя и очень разреженная часть атмосферы Солнца, продолжающаяся в виде движущейся от Солнца плазмы — солнечного ветра — в межпланетное пространство. (см. Солнечный ветер)
Между хромосферой и короной находится переходная область, плотность в которой меняется от 10 -12 до 10 -15 г/см3 (концентрация частиц — от 10 12 до 10 9 1/см3), а температура — от 1*10 4 до 1,5*10 6 К. Рост температуры, определяется быстрым падением плотности вещества с высотой и накачкой энергии за счет процессов поглощения акустических и магнитозвуковыx волн, распространяющихся от фотосферы
Корону можно условно разделить на три зоны: внутреннюю (r 2,5 R_C ).
Средняя температура короны 1,5*106 К. С высотой температура короны меняется мало. Плотность короны у переходной области

10 -15 г/смЗ (концентрация частиц 10 8 см-3), а на расстоянии 3RC плотность

6*10 -19 г/смЗ, (концентрация 4.10 5 см-3).
По своему составу корональный газ сходен с фотосферным. Атомы почти полностью лишены всех своих электронов, т.е. корона представляет собой практически полностью ионизированную плазму.
Структура короны довольно сложна, она включает в себя крупные образования, удаляющиеся от Солнца в виде «опахал» или в виде «лучей». Плотность вещества в этих образованиях, по-видимому, почти на порядок выше, чем в окружающей короне.

С другой стороны, в полярных областях постоянно существуют так называемые корональные дыры — области с аномально низкими температурами, с исключительно низкой плотностью.

Темные области на снимке в рентгене– корональные дыры

Их общая площадь достигает 15% от всей площади поверхности Солнца, на низких широтах площади корональных дыр меньше 2-5% площади поверхности Солнца. Время жизни одной дыры может превышать 5 оборотов Солнца (до 20 оборотов).
Корональные дыры связаны с униполярными областями в фотосфере.
В этих областях происходит усиление истечения плазмы солнечного ветра, оказывающего существенное влияние на геофизические явления.

Яркость короны в миллион раз меньше яркости фотосферы. Наблюдать солнечную корону невооруженным глазом можно только во время полной фазы солнечных затмений. Вне затмений с поверхности Земли корону наблюдают при помощи специальных телескопов — коронографов.

Корональные транзиенты Общее название коротроживущих изменений в короне, в основоном используется для описания выходящих из С. плазменных облаков — Корональных выбросов масс (Coronal Mass Ejection).
Этими мощными выбросами плазменного вещества уносится примерно половина общей энергии солнечной вспышки. CME проходит через солнечную корону и со скоростью порядка 1000 км/с достигает орбиты Земли через 1 – 2 суток. Солнечные корпускулярные потоки, взаимодействуя с земной магнитосферой, вызывают магнитные бури и магнитосферные суббури.

Магнитное поле Солнца разделяется на два типа — общее поле и локальные поля.
Общее магнитное поле Солнца — это поле полоидального типа, вытянутое вдоль солнечных меридианов и подобное полю дипольного типа. Его напряженность на уровне фотосферы составляет 1-2 Гс. Общее поле Солнца периодически, приблизительно раз в 11 лет меняет свою полярность на противоположную. Полный период Т = 22 года.
Общее поле состоит из множества мелких структур разной полярности и размеров, напряженностью до 10-20 Гс.
Локальные магнитные поля активных образований на Солнце разделяются на биполярные (ВМ) и униполярные (UM) области. Напряженность поля |B| в ВМ-областях варьирует от 0,1 до нескольких сотен гаусс. Знак поля различен в различных частях этих областей, и, поскольку они вытянуты вдоль линии восток-запад, в них всегда можно выделить ведущую (р) и ведомую (f) полярности. Эти полярности различны в северном и южном полушариях и меняют знак с началом каждого нового 11-летнего цикла.
UM-области по сравнению с ВМ-областями располагаются ближе к полюсам и имеют меньшую напряженность магнитного поля, но большую площадь и продолжительность жизни: для UM-области характерно В

5-7 оборотов Солнца. Развитие ВМ- и UM-областей предшествует появлению активных областей на Солнце и завершается после исчезновения.

Более подробную информацию по данному вопросу можно найти в разделах СиЗиФа
ОБЗОРЫ и СТАТЬИ, а также на страницах учебника.
Специально вопросам солнечной активности посвящен богато иллюстрированный раздел проекта Э.В. Кононовича ЖИЗНЬ ЗЕМЛИ В АТМОСФЕРЕ СОЛНЦА

Также смотри родственные разделы справочника:

Источник

Строение Солнца. 2. Атмосфера

Атмосфера солнца
4а.Фотосфера
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°С , а у верхней границы, расположенной примерно в 300км выше, порядка 5000°С. Средняя температура фотосферы принимается в 5700°С. При такой температуре раскаленный газ излучает электромагнитную энергию преимущественно в оптическом (видимом) 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 2000км. 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/с. 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 процентов 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.

4б.Хромосфера Солнца
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 2000км (иногда до 10.000км) 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°С до 8000 — 10000°С. К верхней же границе хромосферы, находящейся приблизительно на высоте 14.000км от поверхности Солнца, температура повышается до 15000 — 20000°С. 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.

4с.Солнечная корона
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 солнечной короны примерно такая же, как у Луны в полнолуние, что составляет лишь около 5/1000.000 долей яркости Солнца. Корональные газы в высокой степени ионизированы, что определяет их температуру примерно в 1млн. 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/с 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.

Источник

Атмосфера Солнца: фотосфера, хромосфера и корона

По всем своим параметрам атмосфера Солнца абсолютно не похожа на газовые оболочки движущихся вокруг него планет. Она начинается над зоной конвекции и продолжается бесконечно далеко в виде потоков солнечного ветра. Для атмосферы Солнца характерно слоистое строение. Атомы водорода, гелия и других элементов, переходя от нижних слоев внешней оболочки звезды к верхним, полностью ионизируются. Они формируют потоки движущейся плазмы и простираются по всей Солнечной системе и за ее пределами.

Рассмотрим детально три слоя солнечной атмосферы.

Фотосфера

Является самым ярким слоем солнечной атмосферы, из которого выходит наибольшая часть видимого излучения звезды. Ее толщина колеблется от 100 до 400 км. Именно благодаря фотосфере мы наблюдаем кажущуюся поверхность Солнца.

Это крайне разряженный слой внешней оболочки звезды. Ее давление не превышает 0,1 атм., а плотность составляет от 10 -8 до 10 -9 г/ куб. см. Состоит нижняя часть солнечной атмосферы из относительно нейтральных атомов водорода и гелия и ионизированных атомов металлов. Однако водород по мере продвижения вверх по внешней оболочке Солнца также начинает терять свои атомы.

Температура фотосферы самая низкая во всей атмосфере. У конвекционной зоны она составляет около 5,7*10 3 градусов Цельсия, а у своего края опускается до 3,7*10 3 .

Фотосфера Солнца имеет зернистую структуру. Эти гранулы являются верхушками колонн перемешивающейся в зоне конвекции плазмы. Их диаметр в среднем равняется 1 км, а продолжительность существования не превышает 20 мин.

Хромосфера

Средний слой атмосферы Солнца имеет толщину около 15000 км. Хромосфера еще более разряжена, чем фотосфера и плотность частиц здесь не превышает 10 -13 г/ куб. см. В ее слоях водород и гелий частично подвергаются ионизации.

В нижней части хромосферы Солнца температура составляет 3500° С, а у границы с солнечной короной повышается до 19000°С. Среднее значение температуры среднего слоя солнечной атмосферы – 9700°С.

Хромосфера имеет неоднородную, зернистую структуру. Ее основу составляют спикулы – тонкие столбики плазмы диаметром до полутора километров и длиной в несколько десятков тысяч километров. Одновременно образуется до миллиона таких столбиков со средней продолжительностью жизни 10 минут. Кроме спикул средний слой содержит супергрануляции, облакоподобные флоккулы и протуберанцы.

Увидеть эту оболочку в обычных условиях невозможно из-за ее малой плотности. Хромосфера становится видимой во время полного затмения Солнца, когда фотосфера оказывается закрыта спутником Земли. Она проявляется в виде тонкого красноватого ободка вокруг небесного светила.

Солнечная корона

Внешний слой солнечной атмосферы называется солнечной короной. Это максимально разряженная оболочка, где плотность частиц колеблется от 10 -12 до 10 -15 . Атомы водорода и гелия в пределах короны Солнца становятся полностью ионизированными. Ее толщину невозможно рассчитать, т.к. с ее поверхности исходят потоки солнечного ветра, распространяющиеся на огромные космические расстояния.

Средняя температура в верхних слоях атмосферы Солнца — 1*10 6 К. Некоторые участки короны разогреваются до 8 — 15*10 6 К. Также на ее поверхности есть более холодные участки с низкой плотностью – корональные дыры. Здесь температура падает до 6*10 5 К. Эти дыры остаются после высвобождения потока солнечного ветра и образуются чаще всего на полюсах звезды. Они оказывают влияние на ионосферу и магнитосферу Земли.

Несмотря на такие высокие температурные значения, ее малая плотность не позволяет разглядеть корону невооруженным глазом. Она становится заметной лишь в периоды полного затмения Солнца.

Основным элементом короны являются протуберанцы. Это относительно холодные сгустки плазмы, поднимающиеся над поверхностью Солнца. Продолжительность их жизни колеблется от нескольких минут до нескольких суток, после чего они рассеиваются и исчезают. Кроме протуберанцев во внешнем слое атмосферы Солнца постоянно происходят извержения – потоки ионов вырываются из короны, образуя так званый ветер.

Солнечный ветер

Потоки ионизированных частиц вырываются из верхних слоев атмосферы Солнца и распространяются на тысячи и даже миллионы километров. Именно с ним связаны такие уникальные явления на нашей планете, как полярные сияния и магнитные бури.

Солнечный ветер бывает двух видов: медленный и быстрый. Медленные потоки водородно-гелиевой плазмы движутся со скоростью не более 400 км/с и имеют температуру до полутора миллионов Кельвинов. Быстрый ветер имеет в своем составе атомы неионизированного водорода, движется со средней скоростью 750 км/с и в два раза холодней медленного ветра.

Потоки ионов уносят с собой часть массы звезды. Рассчитано, что за 150 млн. лет Солнце теряет частиц с общей массой, равной массе Земли.

Расстояние, на которое распространяется этот феномен со сверхзвуковой скоростью, обозначается как гелиосфера. Оно составляет более 20 а.е., а затем из-за значительного снижения скорости потоков ионизированных частиц гелиосфера переходит в межзвездную среду.

Источник