Химия Солнца

Наш особый интерес к Солнцу вполне понятен. Солнце - ближайшая к Земле звезда. Солнечный свет и тепло поддерживают жизнь на нашей планете уже миллиарды лет. Благодаря близости к нам Солнце изучено лучше, чем любая из звезд. Его свойства и строение в известной мере характерны для очень многих звезд, столь же «заурядных», как и Солнце. Это относится и к его химическому составу.

Всем ансамблем тел, составляющих Солнечную систему, управляет Солнце. Его могучее тяготение придает стройность движениям планет, комет и метеоритов, которые обращаются вокруг Солнца. Масса Солнца в 760 раз превышает массу всех крупных планет, вместе взятых. По-видимому, она намного превосходит и общую массу вещества, составляющего остальную часть Солнечной системы. Поэтому роль Солнца как динамического центра вполне понятна. Гораздо труднее разобраться в тех физических процессах, которые происходят на самом Солнце.

Превосходя Землю по объему в 1 300 000 раз, Солнце, в отличие от нашей планеты, целиком состоит из газов. Причина этого давно известна - температура Солнца очень высока. Его поверхность нагрета до 6 000 градусов, а в центральных областях Солнца температура должна быть близкой к 14 млн. градусов. В этом интервале температур все известные нам вещества могут находиться только в газообразном состоянии.

Казалось бы, газовый шар должен выглядеть размытым, с нечеткими, туманными очертаниями. Между тем края Солнца удивительно резки. Такими они кажутся и невооруженному глазу, и при наблюдении в телескоп. Причина этого факта ныне выяснена. Оказывается, свет, доходящий до нас от Солнца, возникает в сравнительно тонком поверхностном его слое, толщина которого не превосходит 400 км. Ниже этого слоя солнечные газы становятся совершенно непрозрачными, а выше располагаются чересчур прозрачные и гораздо менее яркие слои солнечной атмосферы. При обычных условиях наблюдения они не видны, и потому Солнце кажется резко очерченным ослепительно ярким диском.

Вот этот поверхностный газовый слой Солнца, отделяющий его непрозрачные недра от разреженной атмосферы, называется фотосферой - светящейся оболочкой. Плотность газов фотосферы ничтожно мала - почти в 109 раз меньше плотности воды. Барометр, помещенный в фотосфере, показал бы (если бы смог там существовать) давление в несколько миллиметров ртутного столба. Казалось бы, столь разреженные газы должны быть прозрачнее стекла. Так бы и было, если бы на Солнце не встречались в изобилии отрицательно заряженные ионы водорода. В отличие от обычных атомов водорода атомы «отрицательного водорода» состоят из протона и обращающихся вокруг него двух электронов. «Отрицательный водород» - сильнейший поглотитель света. Слой отрицательного водорода толщиной больше нескольких десятков километров столь же непрозрачен, как кирпичная стена.

Фотосфера и более глубинные газовые слои Солнца играют роль фильтра, задерживающего почти полностью внутреннее солнечное тепло. Тем не менее Солнце очень щедро посылает свою энергию в окружающее его пространство. Энергия, излучаемая Солнцем за одну секунду, так велика, что ее вполне хватило бы, чтобы растопить покрывающий всю Землю слой льда толщиной 10 километров! И все же излучаемая Солнцем энергия составляет ничтожнейшую долю той энергии, которая скрыта в его недрах. Так что непрозрачный слой «отрицательного водорода» предохраняет Солнце от быстрой потери энергии, или, говоря иначе, от быстрого охлаждения.

При наблюдениях Солнца в телескоп его края выглядят более темными, чем середина. Вызвано это, как уже говорилось, тем, что в центре диска Солнца наш глаз проникает до более глубоких и потому более горячих слоев Солнца, чем те, которые доступны для наблюдения на его краях. Раскаленные газы солнечной поверхности находятся в непрерывном движении. Что же заставляет их сохранять постоянную температуру, близкую к 6 000 градусов?

Когда в холодной комнате вы включаете электроплитку, воздух постепенно нагревается. Тут имеют место три процесса. Во-первых, воздух обладает некоторой теплопроводностью. Тепло от раскаленной плитки непосредственно передается обволакивающему ее слою воздуха. Однако воздух не металл, и если бы не происходило движения частиц воздуха, перемешивания его теплых и холодных слоев, то нагреть комнату за счет одной теплопроводности воздуха удалось бы не скоро. Перемешивание газовых струй, называемое в физике конвекцией, значительно ускоряет этот процесс (это вторая причина). В-третьих, еще быстрее передается тепло через лучеиспускание. Вы подносите руку к плитке и сразу же ощущаете на своей ладони ее «жяр». Тепло от спирали к руке перенесли лучи света, испускаемые раскаленной спиралью плитки.

Все три процесса (теплопроводность, конвекция и лучеиспускание) ведут к одной цели - выравниванию температуры.

Как же выравнивается температура в самом поверхностном слое Солнца, в его фотосфере? Конвективные токи в фотосфере существуют, однако роль их в выравнивании температур невелика. Еще меньшую роль в этом процессе играет теплопроводность солнечных газов. Главная причина заключается в лучеиспускании.

Лучи света являются передатчиками тепла от горячих внутренних слоев Солнца к его атмосфере. Количество энергии, получаемое фотосферой из недр Солнца, всегда равно тому количеству энергии, которое фотосфера излучает. Говорят поэтому, что фотосфера находится в состоянии лучистого равновесия, которое выражается в постоянстве температуры всех ее отдельных слоев.

Даже в небольшие телескопы заметно, что фотосфера состоит из множества разделенных темными промежутками светлых зерен. Это так называемые гранулы. В среднем продолжительность существования каждой из гранул исчисляется тремя-пятью минутами. Гранулы возникают и исчезают, непрерывно меняясь по величине и форме. Замечено, что они слегка и притом хаотично смещаются вдоль солнечной поверхности со средней скоростью около 4 км/с. Сорок процентов поверхности Солнца занято гранулами, а остальные 60 - темными промежутками между ними. Впрочем, темнота этих промежутков относительна - они лишь на 10-20% уступают по своей яркости гранулам. Гранулы только кажутся маленькими. На самом деле их поперечник в среднем близок к 700 км.

Теоретические подсчеты показывают, что в фотосфере, «подстилаемой» изнутри более горячими слоями газов, неизбежно должна возникнуть конвекция. Из глубин фотосферы поднимаются горячие и потому более яркие струи газов, а на их место опускаются массы охлажденных газов. Верхушки бьющих изнутри раскаленных газовых фонтанов мы и наблюдаем как гранулы. Промежутки между ними заняты опускающимися более холодными газами. Миллиарды лет происходит это непрестанное движение. Оно «помогает» лучеиспусканию выравнивать температуру фотосферы.

Характерными образованиями в фотосфере являются солнечные пятна. Наибольшие из них видны даже невооруженным глазом (разумеется, через темный фильтр или сравнительно прозрачное облако). Мельчайшие из пятен, называемые порами, можно наблюдать только в телескопы. В крупном солнечном пятне легко различить две его части: темное центральное ядро - тень и окружающую его более светлую кайму - полутень. Тень обычно кажется равномерно темной, а в полутени иногда легко различить расходящиеся радиально из ядра светлые полоски - волокна.

Пятна кажутся темными лишь по контрасту с окружающей их ослепительно яркой фотосферой. На самом деле температура пятен всего на 1 500 градусов ниже температуры фотосферы. Поэтому если бы их можно было поместить на небе отдельно, вне Солнца, они казались бы почти такими же яркими, как и Солнце.

Поперечники больших пятен нередко больше диаметра Земли. Пятна, видимые невооруженным глазом, имеют в поперечнике более 40000 км; зафиксированы случаи, когда на Солнце появлялись пятна с поперечником 200 000 км.

Удивительно, что эти колоссальные по земным масштабам образования непрерывно меняют свою форму, размеры, интенсивность. Они несколько смещаются по солнечной поверхности и, конечно, вместе со всей фотосферой участвуют во вращении Солнца вокруг его оси.

Так как Солнце состоит из газов, его экваториальные слои движутся быстрее полярных и промежуточных зон. В среднем период оборота Солнца вокруг оси равен 27 суткам. Известны случаи, когда отдельные пятна сохранялись на протяжении нескольких оборотов Солнца. Обычно же продолжительность их жизни исчисляется сутками, реже неделями. Но на смену исчезнувшим пятнам появляются новые в других местах солнечного диска.

На поверхности Солнца наряду с пятнами легко наблюдаются так называемые факелы. Они имеют вид светлых, неправильной формы облачков, встречающихся, главным образом, по соседству с пятнами.

Факелы горячее фотосферы на 100-300 градусов. Они являются как бы мостиками, соединяющими верхние слои фотосферы с солнечной атмосферой. По своей изменчивости факелы не уступают пятнам.

Начинаясь в фотосфере, факелы имеют продолжение в атмосфере Солнца в виде так называемых флоккул. В отличие от факелов, флоккулы в обычный телескоп не видны. Их можно наблюдать с помощью специальных инструментов, пропускающих только некоторые испускаемые флоккулами лучи. В зависимости от количества этих лучей флоккулы будут казаться светлыми или темными облаками на фоне фотосферы.

Во флоккулах преобладают водород и кальций. Поэтому флоккулы Солнца наблюдают именно в тех лучах, которые испускают атомы этих химических элементов. На снимках флоккулы, в общем, напоминают факелы. Размеры флоккул весьма внушительны - некоторые из них могут достигать в длину сотен тысяч километров.

Из того что флоккулы являются продолжением факелов, вовсе не следует, что природа этих образований тождественна (ведь и ствол дерева и его крону можно назвать продолжением его корней...). Изменчивость флоккул заставляет считать их своеобразными облаками в солнечной атмосфере.

Во время полных солнечных затмений для наблюдения доступны сразу два «этажа» солнечной атмосферы. Нижний «этаж», примыкающий к Солнцу, виден как розовато-оранжевая кайма, охватывающая закрытый Луной солнечный диск. Он получил название хромосферы («цветная оболочка»). В хромосфере видны розоватые выступы, напоминающие иногда языки пламени. Это протуберанцы.

За хромосферой во все стороны видна жемчужно-серебристая солнечная корона. Ее сияние простирается иногда на два-три поперечника Солнца. Форма и яркость короны, вид ее лучей не остаются неизменными. Замечено, что в те годы, когда на Солнце много пятен, солнечная корона имеет симметричную форму. Напротив, в годы минимума солнечной деятельности корона как бы сплюснута к экватору Солнца, в плоскости которого и располагаются ее главные лучи.

Исследования спектра короны показали, что природа ее имеет двоякий характер. Внутренняя часть короны, примыкающая непосредственно к хромосфере, или, как говорят астрономы, «внутренняя корона», состоит из атомов газов и свободных электронов. По всей вероятности, во внутренней короне имеются те же газы, что и в хромосфере (водород, гелий, кальций). Непосредственно обнаружены лишь атомы железа, правда в совершенно необычном состоянии. Если в земных условиях атом железа имеет 26 электронов, то в солнечной короне атомы железа наполовину разрушены - электронов в них всего тринадцать. Причиной столь сильных разрушений может быть только исключительно высокая температура - около миллиона градусов! Как ни странно, но и другие факты приводят к тому же неожиданному выводу: солнечная корона «раскалена» до температуры порядка миллиона градусов!

Схематический разрез Солнца и его атмосферы

Слово «раскалена» мы не случайно поставили в кавычки. Термин «температура» употребляется учеными в различных смыслах. В житейской практике мы имеем дело с температурой как мерой энергии движения молекул тела. Такая температура тесно связана с физиологическим ощущением тепла. Что же касается сверхвысокой температуры солнечной короны, то в данном случае под температурой астрофизики понимают нечто иное. В солнечной короне нет молекул. Да и атомы там сильно ионизованы, т. е. недосчитывают порой многих полагающихся им электронов. Степень ионизации атомов характеризуется так называемой ионизационной температурой, а мера энергии движения электронов солнечной короны - электронной температурой. Когда говорят о «раскаленности» короны, то имеют в виду именно эти температуры.

Мы привыкли считать, что раскаленное тело внутри горячее, чем снаружи. На Солнце все наоборот. Самая внешняя его оболочка несравненно горячее фотосферы и лишь немногим уступает температуре солнечных недр. Все это тем более удивительно, что в области солнечной короны постоянно движутся протуберанцы, температура которых не превышает 15000 градусов! Такое «сосуществование» еще более странно, чем присутствие льда в раскаленной доменной печи!

Каков же химический состав Солнца, этого заурядного в мире звезд желтого карлика?

Большинство химических элементов, найденных на Земле, присутствует и на Солнце. Это не означает, что иных элементов на Солнце нет. Некоторые из элементов, пока не найденных в солнечном веществе, могут составлять там ничтожнейшую в количественном отношении примесь. Другие имеют спектр, по разным причинам трудно доступный исследованию. Таковы, например, ртуть (Hg), ксенон (Хе), криптон (Кr).

Трудно рассчитывать, что на Солнце существуют неустойчивые радиоактивные элементы вроде, скажем, прометия (Рm), так что неполнота списка «солнечных» элементов вполне объяснима. Приводим современные данные, иллюстрирующие содержание некоторых химических элементов в атмосфере Солнца и двух звезд (содержание атомов кислорода принято за единицу; хотя гелий найден на Солнце давно, спектр его таков, что количественное определение распространенности гелия встречает пока непреодолимые трудности):

Неожиданностью стало сравнительно недавнее открытие в спектре Солнца линий такого редкого химического элемента, как технеций (Тс). Любопытно, что линии технеция присутствуют и в спектрах некоторых красных гигантов.

Стоит вновь подчеркнуть, что спектральный анализ позволяет узнать (да и то не в полной мере) состав лишь атмосферы Солнца. О составе Солнца в целом мы можем судить только теоретически, строя его модели и сравнивая эти теоретические схемы с данными наблюдений. Мы снова приходим к выводу, что такая типичная, заурядная звезда, как наше Солнце, представляет собой горячий, самосветящийся водородогелиевый шар с незначительной примесью других элементов.