АСТРОНОМІЯ - Навчальний посібник для профільної школи 2017

Частина 2. Основи астрономії

Розділ ІІ. Елементи астрофізики

Тема 2.2. Фізика зір і міжзоряного середовища

§ 17. Поняття зорі. Найближча зоря — Сонце

Вступ

Ще в 1835 р. філософ-позитивіст Огюст Конт заявляв про те, що ми ніколи, жодними засобами ми не зможемо встановити природу небесних тіл. Однак через 24 роки після цієї заяви було започатковано спектральні дослідження, які й відкрили землянам шлях до природи зір.

Цілі вивчення § 17

Вивчивши матеріал цього параграфа, Ви будете:

• знати й розуміти головні фізичні параметри Сонця; фізичні умови на Сонці; внутрішню будову Сонця та його атмосфери; фізичні параметри окремих шарів Сонця;

• уміти формулювати визначення поняття зоря;

• оцінювати Сонце як головний космічний фактор, від якого залежить життя на Землі. Актуалізація раніше набутих знань / компетентностей

Пригадайте відомості про Сонце та зорі, які ви отримали в 5 класі з курсу «Природознавство». З курсу фізики потрібно повторити матеріал щодо сили тяжінні та газового тиску.

Методичні поради щодо опанування навчального матеріалу

Попри велике розмаїття світу зір, він складений з однотипних об’єктів. Тому найперше, що потрібно зробити, — опанувати поняття зоря, зрозуміти, які сили уможливлюють існування цього небесного тіла. Вивчаючи зорі, астрономи широко використовують метод порівняння. І вивчаючи Сонце — найближчу до нас, і тому найдоступнішу для дослідження зорю, вони дізнаються багато нового про зорі в цілому. Водночас вивчення зір дозволяє краще розуміти питання, наприклад, походження й еволюції Сонця.

Зверніть увагу на те, що Сонце — головний космічний фактор, від якого залежить життя на Землі. Тому дослідження закономірностей сонячно-земних зв’язків є важливим завданням сучасної астрономії, що має практичне значення. Окрім цього, взаємозв’язок фізичних процесів, що відбуваються на Сонці, з геофізичними явищами та процесами в біосфері нашої планети, — один з яскравих проявів єдності нашого Всесвіту.

Пояснювальний текст

На зоряному небі, яке з прадавніх часів спостерігала людина, змінював періодично свій вигляд Місяць, у повсякденному русі перебували планети, і лише зорі — яскраві й не дуже яскраві світні цятки — залишалися незмінними. Щоправда від часу до часу з неба «падали» окремі зорі, чи навіть справжнісінькі «зоряні дощі», але поверхні Землі вони не досягали. Зорі були для наших пращурів найтаємничішими небесними світилами. Натомість свою залежність від Сонця люди зрозуміли дуже давно, хоча нічого про нього не знали. Та практичний досвід свідчив — без Сонця життя неможливе. Тому не дивно, що майже у всіх народів світу Сонце стало об’єктом поклоніння й обожнювання. Значно пізніше астрономія допомогла людині з’ясувати справжню природу Сонця та інших зір.

1. Зоря як небесне тіло. Самосвітна газова куля, утримувана в стані рівноваги силами власної гравітації і внутрішнім тиском, у надрах якої відбуваються ( або колись відбувались) реакції термоядерного синтезу — ось що таке зоря. У надрах зір при температурах у десятки мільйонів кельвінів (10 млн — 40 млн К) і величезних густинах панує тиск у мільярди атмосфер. За таких умов зоря може перебувати у стаціонарному стані лише завдяки тому, що в кожному її прошарку внутрішній тиск газу врівноважений дією сил гравітації. Такий стан називають гідростатичною рівновагою. Є одна особливість, пов’язана з цим станом. Виявляється, що для нагрівання зорі від неї треба відбирати енергію, а не підводити, як це ми робимо в земних умовах. І справді, якщо зоря віддасть свою енергію назовні, температура й тиск у ній зменшаться. Сили гравітації, не врівноважені силою внутрішнього тиску, будуть стискати зорю і здійснювати роботу, що перетворюється в тепло. Зоря нагрівається, хоча і втрачає енергію. І навпаки, підводячи енергію до зорі, що перебуває в рівновазі, ми змусимо її розширитися. Розширюючись, зоря витрачає всю додаткову енергію і навіть ще «позичає» якусь частку зі своїх внутрішніх запасів на роботу проти сил тяжіння. А це, зрештою, приводить, до зниження температури. Ці висновки іноді формулюють як те, що зорі, які перебувають у стані гідростатичної рівноваги, мають від’ємну теплоємність. До таких належить і наше Сонце, і переважна більшість зір у Всесвіті.

Для стаціонарного стану зорі властива не лише гідростатична (механічна) рівновага, але й теплова. Теплова рівновага означає, що всю енергію, яка утворюється в надрах зорі, вона випромінює своєю поверхнею в навколишній простір. Якщо тепловідведення перевищить виробіток енергії, зоря почне стискатися, а отже, й розігріватися. Це прискорить термоядерні реакції в надрах, виробіток енергії збільшиться й тепловий баланс відновиться знову. У цьому сенсі зорі є стійкими системами, що самі себе регулюють.

Рис. 17.1. Існування зорі можливе за умови балансу двох сил: гравітації та сили газового тиску.

2. Загальна будова та фізичні параметри Сонця. Доступна для прямих спостережень поверхня Сонця (хоча ніякої «поверхні» у звичайному розумінні цього слова наше світило не має) — це нижній шар сонячної атмосфери, товщина якого становить приблизно 300 км. Цей шар Сонця — фотосфера (у перекладі з грец. — «сфера світла») — у вигляді світла й тепла випромінює практично всю енергію, яку виділяє наше світило. Температура фотосфери в середньому становить 6000 градусів за шкалою Кельвіна, але вона зростає з глибиною.

Астрономи довго не могли зрозуміти, чому в Сонця — вогняної газової кулі — є така різка межа, адже край сонячного диска окреслений дуже чітко? Як виявилось, до Землі видиме світло приходять з дуже тонкого шару Сонця — фотосфери, як вказано вище, всього у 300 км завтовшки. З більшої глибини внаслідок непрозорості речовини його верхніх шарів, світло до нас не доходить. Оскільки ці 300 км майже ніщо у порівнянні з розмірами Сонця, ми й бачимо його край дуже чітким.

Фотосфера Сонця неоднорідна, вона має зернисту структуру (рис. 17.2). Ці «зерна», розділені темними вузькими проміжками, — гранули з розмірами в кілька сотень кілометрів — повсякчас виникають і розпадаються. Тривалість їхнього життя становить усього кілька хвилин, і тому складається враження, що поверхня Сонця безупинно кипить. Таке кипіння поверхні нашої зорі — наслідок конвекції сонячної речовини, а гранули є вершинами конвективних потоків. Розжарений газ, піднявшись із глибини Сонця до його поверхні, охолоджується і знову опускається в надра.

Крім гранул, у фотосфері помітні утворення більших розмірів. Це — супергрануляція. Її складові, що нагадують бджолині стільникові комірки, мають розміри в тисячі кілометрів. Супергранули існують у безупинно змінній фотосфері набагато довше гранул — приблизно добу. Такої стійкості їм надає пов’язане з кожною коміркою магнітне поле.

Гранули й супергранули на поверхні Сонця — це кожночасні утворення, тоді як інші деталі фотосфери — плями й факели — виникають лише від час до часу (§ 19).

Над фотосферою лежить хромосфера (у перекладі з грец. — «забарвлена сфера»), шар розрідженого газу, що простягається на висоту 10—14 тис. км. Свою назву цей шар атмосфери Сонця отримав за властивий йому червоний колір (рис. 17.3 а). Хромосферу можна спостерігати на початку й наприкінці повного сонячного затемнення: сяюче червоно-оранжеве кільце на мить обрамляє місячний диск. Нині з допомогою спеціальних приладів астрономи мають змогу спостерігати й вивчати хромосферу Сонця не лише під час затемнення, а й будь-коли.

Сонячна хромосфера повсякчас перебуває в русі: її можна порівняти з великою кількістю дрібних фонтанів. Окремі струмені розжареного газу, спікули, піднімаються на висоту до 10 тис. км, згинаються й нахиляються, наче язики полум’я над вогнищем (рис. 17.3 б).

Рис. 17.3. Хромосфера Сонця: загальний вигляд (а) та її тонка структура (б).

Рис. 17.2. Фотосфера Сонця (знімок з високим просторовим розділенням).

Під час повних сонячних затемнень астрономи спостерігають не лише хромосферу. Можна також бачити зовнішню оболонку Сонця, що світить слабким сріблястим сяйвом, — сонячну корону, найпротяжніший шар атмосфери нашого світила. Зазначимо, що з допомогою спеціального телескопа — коронографа, у фокусі об’єктива якого розміщено диск («штучний місяць»), корону, як і хромосферу, можна спостерігати з поверхні Землі не лише під час затемнення.

Було помічено, що вигляд сонячної корони залежить від сонячної активності (§ 19). У роки її максимуму корона дуже розлога й тягнеться іноді на кілька сонячних радіусів від Сонця, а в роки мінімумів вона, зазвичай, має менші розміри й витягнута вздовж сонячного екватора.

Будова корони не однорідна: у ній можна спостерігати промені, дуги, окремі згущення речовини. Вигляд корони та її деталі нерозривно пов’язані з нижніми шарами атмосфери, а також з явищами, що там відбуваються. Вивчення фотографій, одержаних під час різних затемнень, допомогло встановити, що зовнішній край корони, тягнучись на великі відстані від Сонця, наче випаровується в міжпланетний простір.

Рис. 17.4. Сонячна корона у рік максимуму (а) і мінімуму (б) активності Сонця.

Сонячна корона є джерелом безупинного плазмового потоку, що рухається аж до околиць нашої планетної системи. Цей потік, який складається з великої кількості протонів, електронів, ядер гелію та інших хімічних елементів, називають сонячним вітром. Поблизу Землі швидкість сонячного вітру становить близько 400 км/с, а густина — 10 частинок на 1 см3, тобто в мільярд мільярдів разів менша за густину земної атмосфери. Поширюючись далеко за орбіти планет- гігантів, сонячний вітер утворює велетенську геліосферу. Зона, де частинки через взаємодію з розрідженим міжзоряним газом втрачають свою кінетичну енергію й сонячний вітер припиняється, називається геліопаузою, і саме нею зазвичай позначають межу сфери впливу Сонця.

Рис. 17.5. Схема будови геліосфери, згідно з останніми даними від космічних зондів.

В атмосфері Сонця, крім плям і грануляції, часто можна спостерігати факели (ділянки з підвищеною температурою), протуберанці (пасма сонячної речовини), а також спалахи — доволі швидкі й енергетично дуже потужні явища. Усі ці утворення відносять до проявів активності Сонця, що змінюється циклічно (§ 19).

Внутрішня будова Сонця. У центрі світила міститься ядро, розмір якого становить 0,3 від радіуса Сонця, і в якому відбуваються ланцюгові термоядерні реакції (§ 18). На відстані до 0,7—0,8 радіуса Сонця ядро оточене зоною променистого переносу енергії і далі — конвективною зоною. Над ними лежить зовнішня оболонка Сонця — атмосфера. Атмосфера, як ми вже знаємо, своєю чергою поділяється на фотосферу, хромосферу й корону.

Хоча ядро Сонця прямо побачити не можна, фізичні умови в ньому відомі досить точно.

Температура речовини ядра становить 15 000 000 К, а густина — майже 100 г/см . Саме такі фізичні умови потрібні для для того, щоб відбувалися термоядерні реакції.

Фізичні параметри Сонця. Сонце складається головно з водню, на частку якого припадає майже 71% усієї маси світила. Близько 27% маси Сонця становить гелій, а 2% — це інші хімічні елементи, серед яких є вуглець, азот, кисень, метали.

Фізичні параметри Сонця для зручності їх сприйняття подано у вигляді таблиці (див. табл. 17.1).

Таблиця 17.1

Фізичні параметри Сонця

Маса

~ 2 · 1030 кг

Радіус (екваторіальний), R

700 000 км

Середня густина, ρ

1409 кг/м3

Площа поверхні

6,1 · 10 м

Температура поверхні

~ 6000 K

Температура ядра

~ 15 · 106К

Світність, L

3, 85 · 1026 Вт

Типова задача

З поверхні Землі диск Сонця видно під кутом 0,5°, а відносно велика фотосферна гранула — приблизно під кутом β = 0,6". Знайдіть розміри такої гранули в км.

Розв’язання: Візьмемо значенняR = 7 · 105 км, цей радіус видно із Землі під кутом α = 15'.

Далі з прямокутних трикутників отримуємо співвідношення: β/α = l/R0·. Звідси l = β/a · R = 467 км.

Навчальні завдання

•Поясніть, як ви розумієте фразу: «Сонце — джерело життя на Землі».

• Як зі спостережень за диском Сонця встановити, що воно обертається навколо осі?

Висновки

Зоря — самосвітна газова куля, що існує завдяки балансу двох сил: гравітації, яка утримує газ від розширення, а отже, й розпорошення у космічному просторі, та сили газового тиску, що протидіє гравітації й не дозволяє їй стиснути газ до надщільного стану. Сонце — найближча зоря до Землі. Його світло й тепло — джерело існування життя на нашій планеті.

Запитання для самоперевірки

1. «Боротьба» яких сил забезпечує тривале існування зорі?

2. Що б відбулося, якби на Сонці раптово зникла сила тяжіння?

3. Чи має Сонце поверхню у звичному для нас розумінні цього слова?

4. Про що свідчить наявність гранул у фотосфері Сонця?

5. Коротко опишіть будову Сонця.

Додаткові та цитовані джерела інформації до § 17

• Пункт «Сонце» розділу «Науково-популярні статті» Українського астрономічного порталу. (http://www.astrosvit.in.ua/statti/sontse-s)

• Людмила Кошман. Сонце: зоря, видима вдень.

(http://www.astroosvita.kiev.ua/infoteka/artides/Sontse-zoria-vydyma-vden.pdf)

• Брекке П. Наша життєдайна зірка — Сонце. Книжка фактів для дітей та юнацтва : науково- популярне видання / Пол Брекке. — К. : Грані-Т, 2014. — 164 с., іл. ISBN 978-966-465-394-4.

За результатами вивчення § 17 Ви маєте:

знати й розуміти

головні фізичні параметри Сонця; фізичні умови на Сонці. внутрішню будову Сонця та його атмосфери; фізичні параметри окремих шарів Сонця.

уміти

формулювати визначення поняття зоря.

оцінювати

Сонце як головний космічний фактор, від якого залежить життя на Землі.






Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити

Віртуальна читальня освітніх матеріалів для студентів, вчителів, учнів та батьків.

Наш сайт не претендує на авторство розміщених матеріалів. Ми тільки конвертуємо у зручний формат матеріали з мережі Інтернет які знаходяться у відкритому доступі та надіслані нашими відвідувачами.

Всі матеріали на сайті доступні за ліцензією Creative Commons Attribution-Sharealike 3.0 Unported CC BY-SA 3.0 та GNU Free Documentation License (GFDL)

Якщо ви являєтесь володарем авторського права на будь-який розміщений у нас матеріал і маєте намір видалити його зверніться для узгодження до адміністратора сайту.

Дозволяється копіювати матеріали з обов'язковим гіпертекстовим посиланням на сайт, будьте вдячними ми приклали багато зусиль щоб привести інформацію у зручний вигляд.

© 2007-2019 Всі права на дизайн сайту належать С.Є.А.