Сергей Язев - Лекции о Солнце

Фотосферный слой, на протяжении которого газ становится непрозрачным, довольно тонок – всего 400 километров. По сравнению с диаметром светила, это очень маленькая величина. Потому-то край Солнца кажется нам столь резко очерченным: на таком небольшом расстоянии газ меняет свои свойства от прозрачного (на верхней кромке фотосферы) до абсолютно непрозрачного (на ее нижней, внутренней границе).

Чтобы еще раз ощутить грандиозность Солнца, можно дополнительно привести несколько чисел. Объем солнечного шара примерно в 1 300 000 раз превышает объем Земли. Масса Солнца – 1,99 × 10 30кг, что в 330 тысяч раз больше массы нашей планеты. Нужно заметить, что масса Солнца составляет 99,9 % от массы всей Солнечной системы (суммарной массы всех планет, их спутников, карликовых планет, астероидов, комет, метеороидов и пыли, содержащихся в ее объеме). Другими словами, все, что находится в Солнечной системе, – сущая мелочь по сравнению с Солнцем (если, конечно, учитывать только массу).

Разделив всю массу Солнца на его объем, мы получим примерно 1,41 г/см 3. Это менее чем в полтора раза больше плотности воды и существенно меньше средней плотности Земли. Уже эта величина подсказывает, что внутреннее устройство Солнца заметно отличается от земного (впрочем, в этом мало кто сомневался и в прошлом).

Огромная масса светила обуславливает гигантское ускорение силы тяжести на поверхности Солнца (на уровне фотосферы) – 274 м/с 2. Это означает, что вес любого предмета вблизи фотосферы в 28 раз больше, чем его вес на поверхности Земли! Соответственно, чтобы улететь прочь из Солнечной системы, стартуя с фотосферы Солнца, понадобилась бы немыслимая скорость в 617,7 км/с. Напомним, что на сегодняшний день максимальная достигнутая человечеством скорость космического аппарата «Новые горизонты», отправленного к Плутону, составила всего 17 км/с относительно Земли.

Впрочем, параметры Солнца выглядят столь значительными лишь по сравнению с планетами. В мире звезд, которому принадлежит наше светило, оно вовсе не кажется таким уж большим. Скорее, Солнце является средней заурядной звездой, далеко не самой крупной и массивной, хотя и не самой маленькой.

Химический состав Солнца, по данным спектрального анализа, следующий. На 74 % (по массе) оно состоит из водорода. 24 % массы приходится на гелий. Эта наиболее вероятная величина определена по косвенным данным. На остальные элементы (а всего на Солнце отождествлены около 80 элементов таблицы Менделеева) приходится не более 2 % массы светила.

Солнце вращается вокруг своей оси в ту же сторону, что и все планеты вокруг него, сохраняя направление вращения древнего газопылевого облака, из вещества которого когда-то сформировались все объекты Солнечной системы. Как уже было указано в предыдущих лекциях, еще в начале телескопических наблюдений было обнаружено, что вращение Солнца дифференциально: угловая скорость вращения убывает от экватора светила к его полюсам. Так, точка на экваторе совершает полный оборот примерно за 25 суток, а точка вблизи полюса – за 30 суток. Поскольку Земля движется вокруг Солнца в том же направлении, земному наблюдателю кажется, что вращение светила осуществляется медленнее: относительно Земли (синодический период) точка на экваторе совершает полный оборот за 27 суток, а точка у полюса – за 32 дня.

Дифференциальность вращения – нередкое явление для космических тел, состоящих из газа. Нечто подобное мы наблюдаем и в атмосфере Юпитера. В настоящее время построены математические модели, которые дают в результате закономерное появление этого эффекта при вращении газообразного шара с конвекцией. Дифференциальность, или неоднородность, вращения Солнца приводит к появлению целого ряда чрезвычайно важных эффектов, о которых будет сказано ниже. Но понятно, что это явление сильно затрудняет задачу определения координат каких-либо явлений на поверхности Солнца (например, пятен). Не следует забывать, что то, что мы называем поверхностью Солнца, – это не твердая поверхность. Это внешняя поверхность слоя непрозрачного газа – что-то похожее на сплошной слой земных облаков при наблюдениях сверху.

Если каждой широте соответствует своя скорость вращения, это приводит к изменению конфигурации крупномасштабных образований на Солнце. Если бы такое наблюдалось на Земле, Петербург бы смещался к западу по отношению к Москве (он дальше от экватора!), зато Астрахань смещалась бы от Москвы на восток (она ближе к экватору!), в результате форма государственных границ непрерывно бы изменялась. На твердом шаре Земли это невозможно. На Солнце же нет ничего твердого: фотосфера – это слой бурлящего газа, и очень трудно привязаться к каким-то реперам на поверхности Солнца – долговременные реперы просто не существуют, и даже появляющиеся пятна могут дрейфовать в фотосфере. Поэтому была введена и используется гелиофизиками жестко вращающаяся система координат, названная в честь выдающегося исследователя Солнца, английского астронома-самоучки Ричарда Христофора Кэррингтона (1826–1875). Эта система вращается со средней скоростью, характерной для широт ±16 градусов. Кэррингтоновская система координат совершает один оборот за 25,38 суток относительно внешней системы координат. По отношению к движущейся Земле этот период составляет 27,28 суток.

Начальным гелиографическим меридианом считается тот, который 1 января 1854 года проходил в 0 часов по Гринвичскому времени через точку пересечения солнечного экватора с плоскостью земной орбиты. Поскольку за время своего существования солнечные пятна не успевают далеко сместиться в кэррингтоновской системе координат, эта система полезна: она дает указания, где на Солнце наблюдается то или иное явление.

Среднее расстояние от Солнца до Земли составляет 149,6 миллионов километров. Поскольку Земля движется не по окружности, а по слабо вытянутому эллипсу, мы оказываемся в разное время года то чуть ближе, то чуть дальше по отношению к Солнцу. В самую близкую к светилу точку земной орбиты (она называется перигелий орбиты ) мы попадаем 4 января. В это время мы подлетаем к Солнцу на 147 миллионов километров. Спустя полгода, в начале июля, Земля оказывается дальше всего от Солнца (в афелии орбиты , примерно 152 миллиона километров). В результате видимый диаметр Солнца на небе немного меняется: нетрудно догадаться, что в начале года он самый большой (в максимуме 32 угловых минуты 35 угловых секунд), а в начале июля – самый маленький (31 минута 31 секунда). Простым глазом эти изменения заметить невозможно (амплитуда изменений видимого диаметра не превышает 3 %). Тем не менее, гелиофизики уверенно фиксируют эти вариации.

Еще одна важная величина, характеризующая Солнце, – это, конечно, мощность его излучения, или светимость. Систематические измерения потока электромагнитной энергии, поступающей от Солнца, ведутся уже более века. Точность этих измерений постепенно увеличивается, при этом все более корректно удается учесть ту часть энергии, которая поглощается и рассеивается земной атмосферой. Аппаратура, установленная на спутниках, позволяет непосредственно определять, сколько электромагнитной энергии падает за секунду на квадратный метр поверхности, перпендикулярной солнечным лучам. Измерения проводятся на расстоянии, равном среднему радиусу орбиты Земли – примерно 150 миллионам километров.