Ми продовжуємо знайомити вас з книгами, що увійшли в лонг-ліст премії науково-популярної літератури «Просвітитель» 2017 року. Сьогодні це "Космос. Від Сонячної системи вглиб Всесвіту "М. Я. Марова. У ній послідовно і докладно описуються як об'єкти Сонячної системи, так і інші космічні об'єкти і явища, що лежать за її межами. Пропонуємо вам познайомитися з першою главою, в якій мова, природно, йде про Сонце. Фрагменти інших книг - учасників премії, опубліковані на сайті, можна знайти тут.
Сонце як зірка. Загальні властивості
Сонце - центральне світило, навколо якого звертаються всі планети і малі тіла Сонячної системи. Це не тільки центр тяжіння, а й джерело енергії, що забезпечує тепловий баланс і природні умови на планетах, у тому числі життя на Землі. Рух Сонця відносно зірок (і горизонту) вивчався з давніх часів, щоб створювати календарі, які люди використовували, насамперед, для сільськогосподарських потреб. Григоріанський календар, який зараз використовується майже всюди у світі, є по суті сонячним календарем, заснованим на циклічному обігу Землі навколо Сонця. Візуальна зоряна величина Сонця дорівнює 26,74m, і воно є найяскравішим об'єктом на нашому небі.
Сонце - рядова зірка, що знаходиться в нашій галактиці, яка називається просто Галактика або Чумацький Шлях, на відстані 2/3 від її центру, що становить 26 000 світлових років, або ауд 10кпк, і на відстані ауд 25пк від площини Галактики. Воно поводиться навколо її центру зі швидкістю ауд 220км/с і періодом 225-250 мільйонів років (галактичний рік) за годинниковою стрілкою, якщо дивитися з боку північного галактичного полюса. Орбіта є, як припускають, приблизно еліптичною і відчуває обурення галактичних спіральних рукавів через неоднорідні розподілі зоряних мас. Крім того, Сонце здійснює періодичні переміщення вгору і вниз відносно площини Галактики від двох до трьох разів за обіг. Це призводить до зміни гравітаційних обурень і, зокрема, має сильний вплив на стійкість положення об'єктів на краю Сонячної системи. Це є причиною вторгнення комет з Хмари Оорта всередину Сонячної системи, що веде до збільшення ударних подій. Взагалі ж, з точки зору різного роду обурень, ми знаходимося в досить сприятливій зоні в одному із спіральних рукавів нашої Галактики на відстані ауд 2/3 від її центру.
У сучасну епоху Сонце розташоване поблизу внутрішньої сторони рукава Оріона, переміщаючись всередині Місцевого Міжзоряного Хмари (ММО), заповненого розрідженим гарячим газом, можливо залишком вибуху надновою. Як ми побачимо в гл. 10, цю область називають галактичною населеною зоною. Сонце рухається в Чумацькому Шляху (відносно інших близьких зірок) у напрямку до зірки Вега в сузір'ї Ліра під кутом приблизно 60 ° від напрямку до галактичного центру; його називають рухом до апексу. Цікаво, що, оскільки наша Галактика також переміщується відносно космічного мікрохвильового фонового випромінювання (CMB - Cosmic Microvawe Background, див. гл. 11) зі швидкістю 550км/с в напрямку сузір'я Гідри, результуюча (залишкова) швидкість Сонця відносно CMB становить близько 370км/с і направлена до сузір'я. Зауважимо, що Сонце у своєму русі відчуває невеликі обурення від планет, насамперед Юпітера, утворюючи з ним загальний гравітаційний центр Сонячної системи - барицентр, розташований в межах радіусу Сонця. Кожні кілька сотень років барицентричний рух перемикається від прямого (проградного) до обратого (ретроградного).
Сонце сформувалося приблизно 4,5 млрд років тому, коли швидке стиснення хмари молекулярного водню під дією гравітаційних сил призвело до утворення в нашій області Галактики змінної зірки першого типу зоряного населення - зірки типу T Тельца (T Tauri). Після початку в сонячному ядрі реакцій термоядерного синтезу (перетворення водню на гелій) Сонце перейшло на головну послідовність діаграми Герцшпрунга-Рассела (ГР) (див. гл.6). Сонце класифікується як жовта карликова зірка класу G2V, яка здається жовтою при спостереженні з Землі через невеликий надлишок жовтого світла в її спектрі, викликаного розсіянням в атмосфері синіх променів. Римська цифра V у позначенні G2V означає, що Сонце належить головній послідовності ГР-діаграми. Як припускають, в самий ранній період еволюції, до моменту переходу на головну послідовність, воно знаходилося на так званому треку Хаяші, де стискалося і, відповідно, зменшувало світність при збереженні приблизно тієї ж самої температури. Дотримуючись еволюційного сценарію, типового для зірок низької і середньої маси, що знаходяться на головній послідовності, Сонце пройшло приблизно половину шляху активної стадії свого життєвого циклу (перетворення водню на гелій у реакціях термоядерного синтезу), що становить в цілому приблизно 10 млрд років, і збереже цю активність протягом наступних приблизно 5 млрд років. Сонце щорічно втрачає 10-14 своєї маси, а сумарні втрати протягом усього його життя складуть 0,01%.
За своєю природою Сонце - плазмову кулю діаметром приблизно 1,5 млн км. Точні значення його екваторіального радіусу та середнього діаметру становлять відповідно 695 500 км та 1 392 000 км. Це на два порядку більше розміру Землі і на порядок більше розміру Юпітера. Середній кутовий розмір Сонця при спостереженні з Землі дорівнює 31 59 і змінюється в межах від 31.20027.200до 32.20031.200, а нахил осі обертання до екліптики 7,25 °. Сонце обертається навколо своєї осі проти годинникової стрілки (якщо дивитися з Північного полюса світу), швидкість обертання зовнішніх видимих шарів становить 7 284 км/год. Сидеричний період обертання на екваторі дорівнює 25,38 сут., тоді як період на полюсах набагато довший - 33,5 сут., тобто атмосфера на полюсах обертається повільніше, ніж на екваторі. Ця відмінність виникає через диференційне обертання, викликане конвекцією і нерівномірним перенесенням мас з ядра назовні, і пов'язане з перерозподілом кутового моменту. При спостереженні з Землі уявний період обертання становить приблизно 28 днів.
Диференційне обертання впливає на структуру магнітного поля і, зокрема, призводить до закручування магнітних силових ліній. Петлі магнітного поля, проектовані до поверхні Сонця, викликають сонячні плями і протуберанці. За існуючими уявленнями, за генерацію сонячного магнітного поля відповідальний різновид магнітного гідродинамічного динамо, що поєднує взаємодію полоїдального і тороїдального полів у внутрішній конвективній зоні Сонця. З механізмом динамо пов'язаний 11-річний цикл сонячної активності і зміна полярності магнітного поля Сонця кожні 11 років.
Фігура Сонця майже сферична, її сплюснутість незначна, всього 9 мільйонних часток. Це означає, що його полярний радіус менший за екваторіальний тільки на ауд 10 км. Маса Сонця дорівнює 1,99x1033 г (ауд 330 000 мас Землі), а середня щільність становить 1,41г/см3 (майже в 4 рази менше щільності Землі). Сонце полягає в собі 99,86% маси всієї Сонячної системи. Прискорення сили тяжкості (на екваторі) g = 274,0 м/с2 (27,94gE), друга космічна швидкість Ve = 617,7 км/с (у 55 разів більше, ніж для Землі).
Ефективна температура сонячної «поверхні» (Teff = 5 777 K) відноситься до видимого шару - фотосфери, в той час як температура в центрі ядра ауд 1,57x107 K, а температура зовнішньої атмосфери (корони) ауд 5x106 K. При таких високих температурах гази знаходяться в плазмовому стані. Фотосфера, в основному, відповідальна за все випромінювання, оскільки газ, що знаходиться вище фотосфери, занадто холодний і занадто розряджений, щоб випромінювати істотну кількість світла. Яскравість Сонця величезна, вона становить 3,85x1033 ерг/с і приблизно відповідає планківському випромінюванню чорного тіла при температурі ауд 6 000 K.
Через приблизно 1 млрд років після виходу на Головну послідовність (за оцінками між 3,8 і 2,5 млрд років тому) яскравість Сонця збільшилася приблизно на 30%. Цілком очевидно, що зміна світності Сонця безпосередньо пов'язана з проблемами кліматичної еволюції планет. Особливо це стосується Землі, температура на поверхні якої, необхідна для збереження рідкої води (і, ймовірно, походження життя), могла бути досягнута тільки за рахунок більш високого вмісту в атмосфері парникових газів, щоб компенсувати низьку інсоляцію. Ця проблема носить назву «парадоксу молодого Сонця». У наступний період яскравість Сонця (також як і його радіус) продовжували повільно зростати. За існуючими оцінками, Сонце стає приблизно на 10% яскравішим кожні один мільярд років. Відповідно, поверхневі температури планет (включаючи температуру на Землі) повільно підвищуються. Приблизно через 3,5 млрд років від теперішнього часу яскравість Сонця зросте на 40%, і до цього часу умови на Землі будуть подібні до умов на сьогоднішній Венері.
В даний час кількість енергії, що припадає на одиницю площі поверхні Землі (сонячна постійна, що відноситься до верхньої межі атмосфери), становить 1 368 Вт x м2, або ауд 2 кал x см-2 x мін-1. Це приблизно одна мільярдна частина потужності сонячного випромінювання. Протягом 11-річного сонячного циклу (див. нижче) сонячна постійна змінюється незначно, в межах ауд 0,2%, хоча істотно змінюється спектральний склад випромінювання, насамперед в УФ- і рентгенівському діапазонах довжин хвиль. Ці невеликі в енергетичному відношенні діапазони роблять вирішальний вплив на стан верхньої атмосфери і навколопланетного космічного простору. Атмосфера і хмари послаблюють сонячне світло майже експоненціально, і кількість енергії, що досягає земної поверхні, майже на 30% менше (ауд 1 000 Вт/м2, ніж при ясній погоді і коли Сонце знаходиться поблизу зеніту.
До кінця свого життя Сонце перейде в стан червоного гіганта. Водневе паливо в ядрі буде вичерпано, його зовнішні шари сильно розширяться, а ядро спалиться і нагріється. Водневий синтез продовжиться вздовж оболонки, що оточує гелієве ядро, а сама оболонка буде постійно розширюватися. Утворюватиметься все більша кількість гелію, і температура ядра зростатиме. При досягненні в ядрі температури ауд 100 мільйонів градусів почнеться горіння гелію з утворенням вуглецю. Це, ймовірно, заключна фаза активності Сонця, оскільки його маса недостатня для початку більш пізніх стадій ядерного синтезу за участю більш важких елементів - азоту і кисню (див. гл. 6). Через порівняно невелику масу життя Сонця не закінчиться вибухом наднової зірки. Замість цього будуть відбуватися інтенсивні теплові пульсації, які змусять Сонце скинути зовнішні оболонки, і з них утворюється планетарна туманність. Під час подальшої еволюції утворюється дуже гаряче вироджене ядро - білий карлик, позбавлений власних джерел термоядерної енергії, з дуже високою щільністю речовини, який буде повільно охолоджуватися і, як пророкує теорія, через десятки мільярдів років перетвориться на невидимий чорний карлик.
Читайте детальніше: Космос. Від Сонячної системи вглиб Всесвіту. - М.: Фізматліт, 2016.