Основные характеристики Солнца. Излучение в различных областях спектра. Термоядерные реакции. Солнечные нейтрино.

• Солнце находится на расстоянии около 26 000 световых лет от центра Млечного Пути и вращается вокруг него, делая один оборот примерно за 225—250 миллионов лет.

• Орбитальная скорость Солнца равна 217 км/с. Таким образом, Солнце проходит один световой год за 1 400 земных лет, а одну астрономическую единицу за 8 земных суток. Основные характеристики Солнца.

Радиус Солнца

• Как и для всякой звезды, основными характеристиками Солнца являются радиус, масса и светимость.

• Солнце представляется почти кругом (сжатие, обусловленное медленным вращением составляет около 10–5) с резко очерченным краем, или лимбом. Т.к. у газового шара не может быть границы, то под краем Солнца понимают фотометрический край, который определяется резким спадом в распределении яркости Солнца вблизи лимба для излучения с длиной волны 500 нм.

• Видимый радиус Солнца несколько меняется в течение года вследствие изменения расстояния Земли от Солнца, вызванного эллиптичностью земной орбиты.

• Когда Земля в перигелии (начало января) видимый диаметр Солнца составляет 33'31", а в афелии (начало июля) — 32'35″. На среднем расстоянии от Земли (1 а.е.) видимый радиус Солнца составляет 960", что соответствует линейному радиусу

• Поверхность сферы, описанной вокруг центра Солнца радиусом R , можно назвать условной поверхностью

Солнца потому, что она близка к верхнему слою основной, самой глубокой части солнечной атмосферы (фотосферы), где достигается температурный минимум и наибольшая непрозрачность газов. Именно эти их свойства и обеспечивают резкость видимого края Солнца.

• Масса Солнца может быть найдена из третьего закона Кеплера, применённого для Солнца и какого-либо из

обращающихся вокруг него тел: M = 1,99·1033 г ≈ 2·1030 кг = 330 000 m 

• Средняя плотность вещества Солнца:

Светимость Солнца

• Для многих задач астро- и геофизики важно знать точное значение мощности излучения всего Солнца, т.е. его светимость, а также энергетическую освещённость от Солнца на расстоянии 1 а.е.

• Последняя величина называется солнечной постоянной и определяется как полное количество лучистой солнечной энергии, проходящей за единицу времени через единицу площади, перпендикулярной направлению на Солнце и расположенную за пределами земной атмосферы на расстоянии 1 а.е. В настоящее время значение солнечной постоянной известно с точностью около ±0,3%: Q = 1 366 ± 4 Вт/м2.

• Произведение этой величины на площадь сферы радиусом 1 а.е. даёт полное количество энергии, излучаемой Солнцем по всем направлениям в единицу времени, т.е. его болометрическую светимость, которая равна 3,84·1026 Дж/с. Единица условной поверхности Солнца (1 м2) излучает 63,1 МВт.

Спектр Солнца

• Почти всё наблюдаемое солнечное излучение (за исключением потока нейтрино, возникающих в центре

Солнца) приходит из внешних слоёв Солнца, которые называются солнечной атмосферой.

• В видимой области излучение Солнца имеет непрерывный спектр, на который накладывается несколько десятков тысяч тёмных линий поглощения, называемых фраунгоферовыми по имени немецкого физика Фраунгофера, описавшего эти линии в 1814 г. Наибольшей интенсивности непрерывный спектр достигает в сине-зелёной части спектра, в области длин волн 4 300 – 5 000 Å. В обе стороны от максимума интенсивность солнечного излучения убывает.

Солнечный спектр далеко простирается в коротковолновую (УФ и далее) и длинноволновую (ИК и далее) области. Результаты внеатмосферных наблюдений спектра Солнца, показывают, что до длин волн около 2 000 Å характер солнечного спектра такой же, как и в видимой области. Однако в более коротковолновой области он резко меняется: интенсивность непрерывного спектра быстро падает, а тёмные фраунгоферовы линии

сменяются яркими эмиссионными.

• Важнейшей особенностью солнечного спектра от длины волны около 1 600 Å до ИК диапазона является наличие фраунгоферовых линий поглощения. По длинам волн они в точности соответствуют линиям излучения различных элементов в спектре разреженного светящегося газа. Появление их в поглощении в спектре солнечной атмосферы обусловлено значительно большей ее непрозрачностью к излучению в этих линиях, чем в соседнем непрерывном спектре. Тем самым в них наблюдается излучение, исходящее от более наружных, а следовательно, и более холодных слоев.

• Характер (форма, интенсивность, ширина) линий поглощения позволяет судить о температуре на разных глубинах в атмосфере Солнца, а также об относительном числе поглощающих атомов различных химических

элементов в атмосфере Солнца.

Спектр и химический состав Солнца

• Самая сильная линия поглощения солнечного спектра находится в далекой УФ области — резонансная линия водорода L α с длиной волны 1 216 Å. Однако на эту длину волны приходится также самая мощная линия излучения солнечного спектра — та же линия L α, но возникшая в более высоких слоях атмосферы.

• В видимой области наиболее интенсивны резонансные линии ионизованного кальция. После них по интенсивности идут первые линии бальмеровской серии водорода, затем резонансные линии натрия, линии магния, железа, титана и других элементов. Остальные многочисленные линии отождествляются со спектрами

более 80 известных химических элементов из таблицы Менделеева и хорошо изученных в лаборатории. Присутствие этих линий в спектре Солнца свидетельствует о наличии в солнечной атмосфере соответствующих элементов. Таким путём установлено присутствие на Солнце водорода, гелия, азота, углерода, кислорода, магния, натрия, кальция, железа и многих других элементов.

• Преобладающим элементом на Солнце является водород. По числу атомов его примерно в 10 раз больше, чем всех остальных элементов вместе взятых, и на его долю приходится около 70% всей массы Солнца.

• Следующим по распространённости элементом является гелий —около 28% массы Солнца. На остальные элементы, вместе взятые, приходится не более 2%. В некоторых случаях важно знать содержание элементов, обладающих определенными свойствами. Так, например, общее количество атомов металлов в атмосфере Солнца почти в 10 000 раз меньше, чем атомов водорода.

Термоядерные реакции

• При температурах и давлениях, характерных для центра Солнца, вещество находится в состоянии высокой степени ионизации – «горячей» и плотной плазмы. Вследствие частых и сильных столкновений между частицами такой плазмы в ней возрастает вероятность взаимодействия между элементарными частицами и атомными ядрами, и происходят ядерные реакции.

• При обычных столкновениях сближению одинаково заряженных частиц препятствует электростатическое отталкивание (кулоновский барьер). Именно для его преодоления частицы должны иметь очень большие энергии, т.е. температура плазмы должна быть очень высокой. Возникающие при этом ядерные реакции называются термоядерными.

• Взаимные столкновения протонов обладают наименьшим кулоновским барьером, поэтому в первую очередь в недрах звёзд возникают реакции синтеза лёгких ядер, а эволюция звёзд начинается с выгорания водорода и других наиболее лёгких химических элементов.

• Вероятность распада одного из протонов (ядра атома водорода) в момент их тесного столкновения очень мала: в недрах Солнца каждый протон ежесекундно испытывает миллионы столкновений, но только одно из 1037 заканчивается его распадом и объединением с другим протоном. Однако, благодаря огромному общему числу протонов, «выгорание» водорода оказывается эффективным в течение очень длительного времени.

Солнечные нейтрино

• Кроме энергии, уносимой в процессе термоядерных реакций γ-квантами, а также непосредственно в виде кинетической энергии возникающих частиц, важную роль играет образование нейтрино, поток которых пронизывает Землю.

• Нейтрино – это элементарные частицы, которые чрезвычайно слабо взаимодействуют с веществом. Поэтому они свободно выходят из недр Солнца и со скоростью, очень близкой к световой, распространяются в космическом пространстве, почти не поглощаясь веществом.

• Заряд нейтрино равен нулю, спин – полуцелый, массы очень малы: для электронного нейтрино верхняя экспериментальная оценка составляет всего 2,2 эВ, верхние пределы для масс мюонного и тау-нейтрино оцениваются в 170 кэВ и 15,5 МэВ соответственно • Поскольку каждый акт синтеза α-частицы вне зависимости от деталей термоядерной реакции сопровождается излучением двух нейтрино, то Солнце ежесекундно испускает 1,8·1038 нейтрино.

• На Земле поток солнечных нейтрино составляет 1011 нейтрино/(с·см2). Т.е. каждую секунду через тело

каждого человека на Земле без видимых последствий проходит ~1014 нейтрино, испущенных Солнцем.

• Поскольку энергии нейтрино, испущенных в результате различных термоядерных реакций, существенно отличаются, то, регистрируя потоки солнечных нейтрино различных энергий, можно (в принципе) получать прямые экспериментальные данные об условиях в недрах Солнца.

• В настоящее время в различных лабораториях проводятся эксперименты по регистрации солнечных нейтрино. Эти эксперименты основаны на достаточно большой вероятности захвата нейтрино некоторыми атомными ядрами, а также на регистрации излучения Вавилова – Черенкова, возникающего при рассеянии нейтрино на электронах.

• Хлор-аргонный эксперимент основан на реакции захвата нейтрино 37Cl + ν → 37Ar + e -.

• Ядра хлора, входящего в состав перхлорэтилена (C2Cl4) способны поглощать нейтрино с энергиями более 0,814 МэВ. Сосуд с 615 тоннами перхлорэтилена находится в шахте глубиной 1 455 м в штате Южная Дакота (США). Этот детектор регистрирует 0,420 ± 0,045 захватов в сутки, что соответствует 2,55 ± 0,25 SNU (Solar Neutrino Units) при теоретически ожидаемом потоке (для данного эксперимента) в 8,0 ± 1,0 SNU. В среднем в таком эксперименте регистрируется одно солнечное нейтрино в течение 2–3 суток.

• Галлиевый эксперимент основан на реакции 71Ga + ν → 71Ge + e -.

• Галлиевые детекторы регистрируют около 80 SNU при теоретически ожидаемом значении 132 ± 7 SNU.

• Водные детекторы, использующие регистрацию излучения Вавилова – Черенкова, возникающего при рассеянии нейтрино с энергиями больше 7,5 МэВ на электронах молекулы воды, также регистрируют заниженные (примерно в 2 раза) значения потоков солнечных нейтрино по сравнению с теоретически ожидаемыми.

• Отличие ожидаемых (теоретических) результатов от наблюдаемых в настоящее время объясняется в рамках теории осцилляций нейтрино, т.е. превращения электронных нейтрино в мюонные и другие, которые не

регистрируются детекторами.