§ 5.7. Солнце, его общие характеристики и спектр

Солнце является центральным телом нашей Солнечной системы. Кроме этого, это ближайшая к нам звезда. Поэтому изучение Солнца — чрезвычайно важная задача, это позволяет нам судить о физических свойствах и строении других звезд.

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

Линейный радиус Солнца можно определить, зная угловой радиус и расстояние до Солнца. Он равен R_ = 696000 км =109 R_ , где R_ — радиус Земли.

Масса Солнца получается из третьего обобщенного закона Кеплера, примененного для Солнца и какого-либо из обращающихся вокруг него тел. Она равна M_  210³⁰ кг = 333000 M_.

Зная массу и размеры Солнца, можно определить среднюю плотность его вещества _= =1,41 г/см³ и ускорение свободного падения на «поверхности» Солнца g_= 274 м/c².

Для многих задач астрофизики и геофизики важно знать точную величину светимости Солнца. Поток излучения от Солнца принято характеризовать так называемой солнечной постоянной, под которой понимают полное количество солнечной энергии, проходящей за единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную к солнечным лучам и расположенную за пределами земной атмосферы. Согласно большому количеству измерений, значение солнечной постоянной F_

в настоящее время известно с погрешностью около 0,3 %: F_= (13664) Вт/м².

Умножая эту величину на площадь сферы с радиусом в 1 а.е., получим полное количество энергии, излучаемой Солнцем по всем направлениям в единицу времени, т.е. его светимость. Она равна L_= 3,8510²⁶ Дж/с.

Светимость Солнца, также как его масса и радиус, приняты в качестве единиц измерения соответствующих величин в мире звезд.

Наблюдения отдельных деталей на солнечном диске, а также измерения смещений спектральных линий в различных его точках говорят о движении солнечного вещества вокруг одного из солнечных диаметров, называемого осью вращения Солнца.

Вращение Солнца обладает важной особенностью: его угловая скорость убывает по мере удаления от экватора и приближения к полюсам (рис. 5.2).

Рис. 5.2. Схема вращения Солнца. Слева  детали, расположенные вдоль центрального меридиана; справа  их положение после одного оборота Солнца вокруг своей оси.

Таким образом, различные зоны Солнца вращаются вокруг оси с различными периодами. Для точек экватора период обращения составляет 25 суток, а вблизи полюсов он достигает 30 суток. Вследствие движения Земли вокруг Солнца его вращение представляется земному наблюдателю несколько замедленным: период вращения на экваторе составляет 27 суток, а у полюсов — 32 суток.

Спектр Солнца — еще одна его важная характеристика.

В видимой области излучение Солнца имеет непрерывный спектр, на фоне которого заметно несколько десятков тысяч темных линий поглощения, называемых фраунгоферовыми по имени австрийского физика Фраунгофера, впервые описавшего эти линии в 1814 г. Наиболее интенсивны резонансные линии H и К ионизованного кальция. После них по интенсивности идут первые линии бальмеровской серии водорода Н_a , H_, Н_, затем резонансные линии натрия D₁ и D₂ , линии магния, железа, титана и других элементов.

Наибольшей интенсивности непрерывный спектр достигает в сине-зеленой части спектра, в области длин волн 4300-5000 Å. В обе стороны от максимума интенсивность солнечного излучения убывает.

Солнечный спектр далеко простирается в невидимые коротковолновую и длинноволновую области. Результаты внеатмосферных наблюдений спектра Солнца, полученные с ракет и искусственных спутников, показывают, что до длин волн около 2000 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 темные фраунгоферовы линии сменяются яркими эмиссионными.

 Инфракрасная область солнечного спектра до 15 мкм частично поглощается при прохождении сквозь земную атмосферу. Здесь расположены полосы молекулярного поглощения, принадлежащие в основном водяным парам и углекислому газу. С Земли видны лишь некоторые участки солнечного спектра между этими полосами. Для длин волн, больших 15 мкм, поглощение становится полным, и спектр Солнца доступен наблюдениям только с больших высот или внеатмосферными методами. Поглощение спектра Солнца молекулами воздуха продолжает оставаться сильным вплоть до области радиоволн длиной около 1 см, для которых земная атмосфера снова становится прозрачной. Важной особенностью радиоизлучения Солнца является его переменность, увеличивающаяся с ростом длины волны. Этим радиодиапазон существенно отличается от видимой области спектра, интенсивность которой исключительно постоянна. Подобной же переменностью обладает и рентгеновское излучение Солнца.

Многочисленные линии в спектре Солнца принадлежат свыше 80 известным химическим элементам из таблицы Менделеева, изученным в лаборатории. Присутствие этих линий в спектре свидетельствует о наличии в солнечной атмосфере соответствующих элементов. Таким путем 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, и на его долю приходится около 70% всей массы Солнца (водород — самый легкий элемент). Следующим по содержанию элементом является гелий — около 28% массы Солнца. На остальные элементы, вместе взятые, приходится не более 2%.