Солнце и солнечный спектр

Солнце-это звезда, одна из 100 млрд, звезд нашей Галактики. В масштабах Вселенной роль Солнца незначительна. Оно относится к числу звезд-желтых карликов спектрального класса G. Однако значение его для нашей планетной системы - Солнечной системы, в которой оно является центральным телом, невозможно переоценить.

Солнце несравненно больше Земли. Оно состоит в основном из водорода и гелия, его диаметр-1392 тыс.км. Объем Солнца более чем в миллион раз превосходит объем Земли, но масса составляет всего 1,99 1033 г, т.е. примерно ЗЗ0000 земных масс. Масса Солнца не столь велика, как можно было бы ожидать, вследствие того что его плотность ниже, чем плотность планеты земного типа. Среднее значение плотности Солнца равно 1,409 (т.е. его масса в 1,409 раза больше массы равного объема воды), но Солнце неоднородно, и плотность его быстро возрастает вглубь.

Солнце расположено на расстоянии примерно 32 тыс. световых лет от центра нашей Галактики и совершает полный оборот вокруг галактического ядра приблизительно за 225 млн. лет. Период вращения Солнца вокруг своей оси на экваторе равен 25,4 суток, но вблизи солнечных полюсов он значительно больше: Солнце вращается не как твердое тело.

Целостат, используемый для наблюдений Солнца. Он состоит из двух зеркал - подвижного (1), поворачивающегося вслед за Солнцем, и неподвижного (2). Одна из осей (3) подвижного зеркала направлена на небесный полюс, направление другой можно регулировать

Гелиостат (А), вариант целостата, используемый для слежения за Солнцем в 152-метровом телескопе на обсерватории Китт-ПІик (Б).- Солнечный свет падает на вращающееся зеркало (1), отражается от него и падает на вогнутое зеркало (2), затем фокусируется на плоском зеркале (3) и проходит через спектрограф (4).

Наблюдения солнечных пятен в 1947 г. К 11 февраля (А) еще не было ясно, какое пятно - ведущее, а какое-следующее. Но магнитная полярность проявлялась четко (показано линиями). В период между 9 марта (Б) и 7 апреля (В) ведущее (1) и следующее (2) пятна различались уверенно. К 5 мая (Г) активность прекратилась

Фотосфера. Яркий внешний слой Солнца называется фотосферой, его температура равна 5500°С. На нем видны более темные участки, называемые солнечными пятнами. На самом деле пятна совсем не черные, они кажутся такими по контрасту; если бы свечение пятна можно было наблюдать отдельно, яркость его поверхности оказалась бы выше, чем у дуговой лампы.

Наблюдатель, который решился бы посмотреть на Солнце в любой телескоп или бинокль, почти наверняка бы сразу ослеп, и темные фильтры здесь-защита ненадежная. Пригоден только метод проекции, когда телескоп проецирует изображение Солнца на экран, который держат или закрепляют за окуляром. Поверхность Солнца не является настолько «гладкой» и лишенной деталей, как кажется; на ней имеются гранулы, каждая диаметром около 1500 км. Под внешними слоями Солнца существуют конвективные потоки; восходящие течения газа, порожденные конвекцией, и обусловливают появление гранул. Темные края гранул-это опускающиеся потоки относительно холодного газа.

Типичное большое солнечное пятно состоит из густой центральной тени, окруженной более светлой областью полутени, хотя очертания пятен обычно очень неправильные. Пятна имеют тенденцию возникать группами; как правило, в группе есть два главных пятна: восточное - «ведущее» и западное - «следующее». Группы могут быть очень сложными и занимать огромную площадь, однако они недолговечны. Даже большая группа существует не более нескольких месяцев, а пятна меньших размеров порою живут всего несколько часов. По мере вращения Солнца можно наблюдать, как пятна медленно пересекают диск от одного края до другого. На полное перемещение пятна по диску уходит около двух недель. Через подобный же промежуток времени пятно вновь появится на противоположной стороне диска, если к этому времени не исчезнет совсем.

Число солнечных пятен сильно менялось (А) во время полета станции «Скайлэб» в период с 14 мая 1973 г. по 8 февраля 1974 г. В промежутки времени SL2, SL3 и SL4 на станции находились экипажи. График на врезке (Б) иллюстрирует цикличность солнечной активности в период 1935-1973 гг. Максимум 19691970 гг. был много слабее максимума 1957-1958 гг.

Полутень солнечных пятен (1) вблизи края (лимба) солнечного диска кажется более узкой на стороне пятна, обращенной к центру диска. Это говорит о том, что пятна расположены ниже уровня фотосферы (эффект Вильсона)

Регулярные циклы. Цикл солнечной активности весьма регулярен и повторяется с периодичностью в среднем И лет. Так, в 1957-1958, а затем в 1969-1970 годах были максимумы4 активности, когда группы пятен наблюдались в изобилии. В промежутках между максимумами бывают минимумы числа пятен, когда солнечный диск много дней подряд лишен пятен.

Солнечные пятна связаны с очень сильными магнитными полями, что отражено в современной теории образования пятен, основы которой были заложены в 1962 г. Харольдом Бэбкоком (1882-1968). Солнце обладает также общим магнитным полем, и можно вообразить, что магнитные силовые линии проходят от одного магнитного полюса к другому под яркой солнечной поверхностью. Из-за различия периодов обращения экваториальной и полярной зон магнитные силовые линии за промежуток времени в несколько лет искажаются и «вытягиваются» вдоль экватора, тогда как полярное магнитное поле усиливается и становится нестабильным. Наконец, «петля» магнитной энергии прорывается сквозь поверхность; при этом образуются два пятна: одно с северной полярностью, другое-с южной. Из-за замкнутости магнитных силовых линий полярности ведущих и следующих пятен в разных полушариях Солнца противоположны. По истечении примерно 11 лет линии разрываются и Солнце резко возвращается к исходному состоянию. В следующем цикле полярности пятен в каждом из полушарий меняются на противоположные.

Информация, которую можно извлечь из визуальных наблюдений фотосферы Солнца, весьма ограниченна, и большая часть наших знаний о Солнце получена с помощью приборов, работающих по принципу спектроскопа. В соответствии с законами излучения, установленными Кирхгофом в 1859 г., раскаленные твердое тело, жидкость или газ при высоком давлении излучают непрерывный (радужный) спектр, тогда как газ при низком давлении дает эмиссионный спектр, состоящий из отдельных ярких линий.

Максимум солнечной активности 1958 г-самый интенсивный из всех когда-либо наблюдавшихся. На фотографии диск Солнца, покрытый большим количеством пятен

Большие группы 8 солнечных пятен встречались и спустя продолжительное время после максимума солнечной активности 1947 г. Эта группа пятен сфотографирован а 17 мая 1951 г.

Солнечный спектр образуется в результате наложения двух эффектов. Подобно газу, находящемуся под высоким давлением, фотосфера излучает непрерывный спектр от красных лучей до фиолетовых (А). Солнечная атмосфера-подобно газу под низким давлением-теоретически должна излучать спектр (Б), состоящий из отдельных ярких линий, соответствующих определенным химическим элементам. Но поскольку светится поверхность Солнца, химические элементы, находящиеся в его атмосфере в газообразном состоянии, поглощают излучение определенных длин волн и на Земле мы наблюдаем в непрерывном спектре фотосферы темные линии, называемые фраунгоферовыми (В).

Точный атлас линий солнечного спектра удалось составить с помощью 4-метрового спектрографа на обсерватории Маунт-Вилсон. На рисунке показана . область 3900-6900 А (ангстрем), т.е. от фиолетового цвета до красного (1 А = 10^-8 см). Каждой линии можно поставить в соответствие химический элемент; например, линии D в середине спектра связаны с натрием, линия Н_а водородом

Обнаружение новых элементов. Химические элементы, присутствующие в газообразном состоянии в атмосфере Солнца, поглощают из непрерывного спектра, излучаемого фотосферой, свет соответствующих определенных частот, создавая в непрерывном спектре провалы-темные линии. Такие темные линии в спектре Солнца называются фраунгоферовыми линиями. По положениям в спектре (т.е. длинам волн) и интенсивностям этих спектральных линий можно установить, какие элементы присутствуют в солнечной атмосфере.

На Солнце таким путем было обнаружено более 60 элементов. Один из них — гелий-на Солнце был обнаружен даже раньше, чем на Земле.