HelenaScorpena

Гранулы.

Нижняя, видимая граница фотосферы — это верхняя граница конвективной зоны. Мы помним, что конвективная зона "кипит", и единицей кипения в ней выступают гранулы — короткоживущие ячейки, в пределах которых горячее вещество Солнца (плазма) всплывает снизу вверх в центре гранулы (на фото эти центры гранул мы видим как "зернышки") и растекается из центра к краю гранулы. При этом оно остывает и к краю гранулы подходит уже не таким горячим, как было при всплытии. На краях гранул остывшее вещество опускается вниз в конвективную зону. Такая циркуляция происходит непрерывно, но сами гранулы на месте не стоят. Они возникают и минут через 5 - 10 сменяются новыми. На фильмах это выглядит как движение зернышек риса. При этом размер каждой гранулы — примерно 1 тыс. км. Температура фотосферы в среднем около 6 тыс. градусов.

Супергранулы.

Сами "зернышки" тоже образуют " кипящую кашу". Гранулы объединяются в более крупные образования — супергранулы. В центре супергранулы всплывают горячие зернышки-гранулы, растекаются от центра к краям, остывают и опускаются вниз. Супергранулы в фотосфере не видны, супергрануляционная сетка видна только в более высоком слое атмосферы Солнца — в хромосфере. Линейный размер супергранулы — примерно 32 тыс. км, время жизни — около суток.

Поры.

Поры возникают на границах между гранулами, в областях нисходящих течений плазмы. Это — места повышенной плотности магнитного потока. Где напряженность магнитного поля выше, там конвекция замедляется, температура вещества падает и на снимках оно не так ярко светится, то есть кажется тёмным. Диаметр пор — 200 - 300 км. Некоторые из них развиваются в полноценные солнечные пятна.

Пятна.

Пятна — самое заметное в фотосфере явление. На фоне фотосферы они пятна кажутся почти чёрными, потому что температура в них на пару тысяч градусов ниже, чем в окружающей фотосфере. Они похожи на гигантские кратеры глубиной в среднем около 200–500 км (это глубина так называемой вильсоновской депрессии). Причина образования пятен — выход на поверхность потока сильного магнитного поля. Оно прекращает конвекцию, «кипение» в «кастрюле» на месте пятна останавливается и вместо ярких зёрнышек «риса» мы видим в этом месте тёмную область. Пятно имеет сложную структуру. Тёмная его середина называется "тень". Это область, где конвекция не идёт. В разрезе пятно можно представить как кратер/кастрюлю. В его центре газ сильно разрежен, температура там около 4 тыс. градусов. Тень окружена более светлым кольцом — полутенью. Она состоит из тонких ярких горячих волоконец — течений горячей плазмы из центра пятна к краям (это течения Эвершеда, их скорость от 1 до 4 м/с).

Раньше предполагали, что пятна - глубокие образования, уходящие в глубь конвективной зоны почти до её дна. Теоретические разработки наших пулковских ученых 1990 - 2000 х годов показали, что пятна — это неглубокие образования. Пулковские расчеты позднее были подтверждены данными гелиосейсмологии: глубина пятна (кратера/кастрюли) - от 500 до 700 км для крупных пятен и около 200 км для пятен поменьше.

Результат обработки данных гелиосейсмологии. Пятно - относительно холодная область глубиной в 500 - 700 км; ниже, наоборот, температура плазмы оказывается выше, чем в окружении, что вполне логично. Сильное магнитное поле пятен подавляет конвекцию в пятне и под пятном (синяя область), а избыток тепла скапливается ниже холодной зоны (красная область). Ну а ещё ниже конвекция идет уже беспрепятственно.

Пятна бывают единичными, но нередко возникают группами или парами. Тогда различают ведущее пятно, которое первым появляется на диске Солнца с восточной стороны, и ведомое — следующее за ним. Ведущее пятно, как правило, более компактное, имеет большее магнитное поле и живёт дольше, иногда до двух оборотов Солнца (обычно пятна живут около недели). Группы пятен могут насчитывать сотни пятен, их суммарная площадь в группе может в десятки раз превышать площадь всего земного шара.

Пятна «мигрируют», то есть области их возникновения перемещаются по поверхности Солнца: вначале пятна появляются ближе к полюсам Солнца, на высоких широтах, потом постепенно места их появления сползают к экватору. То есть конкретное пятно «сидит» вполне себе на месте, но когда оно исчезает, следующее появляется уже «ниже», дальше от полюса. Эта закономерность возникновения пятен на диске Солнца называется законом Шпёрера. Количество пятен на солнце — один из основных показателей солнечной активности.

Факелы.

Это, наоборот, - области, где напряжённость магнитного поля меньше. Плазма в факелах более горячая, чем в окружающей фотосфере. Факелы хорошо заметны ближе к краям солнечного диска. Размеры факельного поля — до 30 тыс. км.

Здесь мы и подходим к вопросу о том, можно ли наблюдать эволюцию звезд или буйные на голову астрономы все это выдумали.

Ответ - да, наблюдаем, и нет, не выдумали.

Если посмотреть в хороший телескоп на звездное небо, мы много чего увидим: галактики на разных стадиях формирования-жизни-распада и звезды, тоже на разных стадиях жизни. Про галактики сейчас говорить не будем, поговорим об эволюции звезд.

Итак, смотрим на небо. Мы видим сразу и молодые, и старые звёзды, и звёзды «в самом расцвете сил», как Солнце, и только зарождающиеся светила. Обычно хорошо работает аналогия с лесом: зайдите в хорошо освещенный лес, вы увидите разом и старые деревья, и бурелом, и юные деревца, и могучие, зрелые. То же самое со звездным небом.

Мы НАБЛЮДАЕМ (это важно) эволюцию звезд уже более 100 лет (это к вопросам читателей Пикабу о том, что мы же не наблюдаем небо 5 миллиардов лет, значит, все разговоры об эволюции звезд - просто измышление :).

Оказалось, что диаграмма Герцшпрунга-Рассела отражает состояние звёздного населения. По степени "населённости" (на рисунке - количество точек) той или иной ветви можно судить, какую часть времени своей жизни звезда проводит на ней, то есть пребывает в определённом

состоянии (зарождается, попадает на Главную последовательность, переходит в область гигантов и затем карликов и т д). Анализируя распределение звёзд на диаграмме,

можно понять, как рождаются и как заканчивают свою жизнь звёзды с разной начальной массой и разным химическим составом. Важно: в виду: в ходе эволюции звёзды не продвигаются вдоль ветвей, а «скачут» по диаграмме. Такой «путь звезды» на диаграмме от рождения до остывания называют её эволюционным треком.

Эволюционный трек Солнца. Начинаем с "формирования", заканчиваем превращением в ЧЕРНОГО КАРЛИКА, которого НЕТ на диаграмме: это тот же белый карлик, только совсем остывший и ничего не излучающий

Прежде всего звезда, постепенно формируясь из сжимающегося (под действием сил гравитации) газопылевого облака, должна превратиться в звезду - то есть набрать достаточно массы для того, чтобы в ее ядре начались термоядерные реакции превращения одних элементов в другие, более тяжёлые. В звездах типа Солнца водород превращается в гелий. Более массивные звёзды на разных этапах своей жизни могут синтезировать и более тяжелые химические элементы, включая железо, но НЕ далее по таблице Менделеева. Всё, что тяжелее железа - это продукты взрывов Сверхновых.

Облака пыли и газа, оставшиеся после таких взрывов - это новый "роддом" для звезд. Считается, что Солнце - это звезда третьего поколения. То есть два поколения звезд прожили жизнь, синтезировали химические элементы, отдали их обратно в космос - и вот с третьим поколением звезд сформировалось и Солнце.

В начале жизни оно относительно медленно сжималось на протяжении примерно 30 млн лет. Это так и называется: "стадия гравитационного сжатия", притом по космическим меркам протекает она у звезд солнечной массы достаточно быстро по сравнению со временем их жизни, ибо живут они уже не миллионы, а миллиарды лет. На стадии гравитационного сжатия гравитационная энергия звезды превращается в тепловую энергию и энергию излучения и обеспечивает сжатие всё более горячей протозвезды. При температурах около млн градусов и выше в ядре уже начинаются термоядерные реакции, но энергетические потери на излучение пока что превышают "восполнение" энергии за счет термоядерных реакций. И только когда из-за дальнейшего сжатия температура ядра будущего Солнца приблизилась к современному значению в 15–16 млн градусов, термоядерный котёл заработал в полную силу. Тепла стало хватать для того, чтобы давление в звезде смогло противостоять гравитации, и тогда сжатие прекратилось. То есть - Солнце "село" на Главную последовательность диаграммы.

Звезды, которые превращают водород в гелий - все рано или поздно "живут" на Главной последовательности.

Главная последовательность — это основная, наиболее насыщенная область на диаграмме Г-Р. Здесь звёзды проводят большую часть жизни, пока весь водород в центре не превратится

в гелий в результате термоядерных реакций. То есть пока в центре звезды не сформируется гелиевое ядро. Когда это случается, звезда уходит с Главной последовательности вправо вверх, то есть перемещается в область гигантов.

Та же судьба ждёт и Солнце. Не более чем через 2 млрд лет оно начнет раздуваться - его радиус сильно увеличится, оно начнет превращаться в красного гиганта. Поглотит Меркурий, Венеру, Землю. Марс расположен в примерно 1,5 а.е. от Солнца и, по разным оценкам, либо тоже попадет в атмосферу гиганта, либо начнет нагреваться и его запасы воды, испаряясь, образую там атмосферу. Юпитер, отстоящий от Солнца на 5,2 а.е., в гиганта уже "не влезет". Но, вероятнее всего, частично испарится - Юпитер ведь газовая планета, как и Сатурн, Уран, Нептун. Все эти планеты претерпят очень существенные изменения! А вот крошка Плутон, состоящий из камня и льда, быть может, и выстоит, только нам от этого будет не легче...

Затем ядро Солнца сожмется и Солнце (примерно через 4,5 млрд лет) станет белым карликом с массой примерно в половину нынешней солнечной. Его внешние оболочки будут сброшены в космос. Само же Солнце будет медленно-медленно, еще миллиарды лет остывать... и превратится в черного карлика. Оно физически будет, но его будет никому не видно, потому что ему нечего будет излучать.

Однако у нас с вами, Люди, есть как минимум спокойный миллиард лет впереди. Это ОЧЕНЬ много, если вспомним, что человек разумный сформировался примерно 40 тысяч лет назад, а первые государства появились в 3500 - 3100 годах до н.э., то есть всего-то 5 тысяч лет назад.

Это оптимистично.

Но, кажется, - и это пессимистично - что у человечества больше шансов погибнуть от собственной жадности (что самое обидное, жадничают-то не все, только самые богатенькие, а помирать все-таки всем) и в собственных нечистотах, или самоубиться от большого ума, чем быть проглоченным собственным Солнцем, дающим нам сейчас жизнь.

Последний абзац, конечно, к физике космоса отношения не имеет.

Что касается других звезд, то и эволюция у них протекает иначе. Все зависит от массы звезды. Распределение звезд на диаграмме Г-Р тоже зависит прежде всего от массы. Чем массивней звезда, тем выше ее светимость, тем она горячее и "светлее". Самые горячие звезды - бело-голубые гиганты, самые холодные - бурые карлики.

Есть еще нейтронные звезды, черные дыры - в них могут превратиться массивные звезды в ходе эволюции. На диаграмме Г-Р их нет. Это объекты так называемой релятивистской астрофизики, то есть физики объектов, существенно искажающих пространство-время вокруг себя. Мы же с нашим Солнцем можем считать, что находимся во вполне спокойном, вообразимом, почти что евклидовом пространстве... на этой позитивной ноте мы можем и закончить короткий рассказ об эволюции нашей звезды.

Теперь мы видим  - опять же в фотосфере - структуру гранул более подробно и считаем, что это, скорее, "зёрнышки гречки". (Подкрашивание фото, конечно, тут не при чем. Это работа программы Photoshop).

Конвекция — перенос тепла вместе с разогретым веществом снизу вверх — самый эффективный способ переноса энергии В СРЕДЕ (то есть в вакууме конвекция не работает). Представьте себе кипящий суп: за счет конвекции вода (жидкая среда) эффективно передает тепло кусочкам овощей. Тепло со дна кастрюли, нагреваемого плитой, распределяется на всю жидкость и достигает её верхних слоев за счет конвекции. Суп кипит... примерно такую картину мы рисуем (еще не наблюдаем, но уже достаточно точно "прощупываем" и просчитываем) в конвективной зоне Солнца.

Иллюстрация из книги Киричек - Панченко "Неизвестное Солнце"

Сам по себе образ кастрюли тоже весьма эффективен: то, что происходит в конвективной зоне, действительно хорошо представлять как кипение вещества в некой кастрюле. Её дно (основание конвективной зоны) разогрето до 2 миллионов градусов. А на поверхности "кипящего вещества" (в основании фотосферы) уже всего лишь несколько тысяч градусов, то есть дно примерно в 1000 раз горячее верха и перепад температур огромен. Что же происходит "на пути" между дном и поверхностью? Мы помним, что вещество, нагреваясь, расширяется: уменьшается его плотность, и оно поднимается вверх. Более холодное, бывшее сверху, наоборот, опускается вниз. Происходит перемешивание вещества. Это и есть конвекция. Горячая плазма торопится всплыть, холодная — опускается вниз. Вещество уже не только поглощает и переизлучает фотоны, но и само несёт в себе и переносит с собою тепловую энергию. Но, разумеется, всё донышко конвективной зоны не может разом всплыть вверх, чтобы потом вся поверхность Солнца ухнула вниз. Вещество само собой разбивается на отдельные небольшие участки, в которых благополучно «кипит»: всплывает, расширяется, растекается из центра в стороны и уходит вниз. Каждый такой "небольшой" (около 1000 км в диаметре) кипящий участок мы видим в фотосфере — это и есть гранула. Она всплывает примерно за 10 минут, на поверхности (в фотосфере) растекается из центра в стороны и уходит в глубину, уступая место другой грануле. То есть: гранулы на фото - это не статичные образования. Они живут пару десятков минут. "Каша" постоянно движется. Одновременно на поверхности Солнца можно насчитать несколько миллионов гранул. Они объединяются в «котлы» — ячейки супергрануляции с диаметром около 32 тысяч км и временем жизни около 20 - 24 часов. Их видно в более высоком слое Солнца - хромосфере. В ячейках супергрануляции вещество так же кипит, только «единицей кипения» тут выступает уже не вещество (плазма), из которого состоит гранула. В «котлах» «варятся» сами гранулы: они всплывают, растекаются и погружаются, как зёрна риса, но при этом каждая «рисинка» кипит ещё и сама по себе. Образ выходит уже примерно такой: в очень большом котле варятся котлы, в которых варится каша.

ВЕЩЕСТВО КОНВЕКТИВНОЙ ЗОНЫ НАХОДИТСЯ В ПОСТОЯННОМ СЛОЖНОМ ДВИЖЕНИИ, ПЕРЕНОСЯ ЭНЕРГИЮ ОТ ВЕРХНЕЙ ГРАНИЦЫ ЗОНЫ ЛУЧИСТОГО ПЕРЕНОСА К ФОТОСФЕРЕ. НА СХЕМАХ ЭТОТ ПРОЦЕСС ОБЫЧНО ИЗОБРАЖАЮТ ЗНАЧКОМ ТИПА RECYCLE , ИМЕЯ В ВИДУ, ЧТО ЭНЕРГИЮ В ДАННОМ СЛУЧАЕ НЕСЁТ САМО ВЕЩЕСТВО, НАГРЕВАЯСЬ ВНИЗУ, ПОДНИМАЯСЬ, ОСТЫВАЯ И СНОВА ОПУСКАЯСЬ ВНИЗ.

Продолжение следует :)

1. ИСТИННОЕ ПОГЛОЩЕНИЕ. Для фотонов критически важна плотность среды, через которую они проходят. Новорождённый гамма-квант не летит, а скорее, «продирается» сквозь толпу атомов.

У атомов же есть «поглощательное» свойство: когда к ним сама собой прилетает ЭМ энергия (фотон) — они её поглощают. "Едят". С другой стороны, процесс поглощения фотона атомом можно представить и как его столкновение с частицей, оказавшейся у фотона на пути. Каждый атом — это как бы мишень, точнее, "паутина с пауком", преграждающая кванту путь. Атом, как паук, поглощает квант. Но энергии, которую он получил, так много, что паук не переваривает её, а начинает буйствовать…

Уйдём же от образности: столкнувшись с фотоном, атом, поглотивший его, приходит в возбуждённое состояние, в котором он по законам квантовой механики долго пребывать не может. Он излучает квант света обратно, наружу. Только излучение это происходит вовсе не обязательно наверх, к поверхности Солнца, а в совершенно случайном направлении. В том числе и назад, вниз, обратно в сторону ядра. И ещё: обычно атом излучает не тот по величине энергии квант, что был поглощён, а, как правило, — менее энергичный, то есть несколько более мелких; один очень энергетически насыщенный гамма-квант превращается в несколько других, "послабее": квантов рентгена, ультрафиолета, оптического света и так далее. Этот каннибальский процесс физики называют истинным поглощением.

При этом, конечно, работает закон сохранения энергии: количество поглощенной атомом энергии равно количеству излучённой. Сколько "вошло" - столько и "вышло".

Ремарка: «Голое» ядро атома без электронов ничего поглотить не может. Только атом (ядро с электронами) может поглотить энергию и прийти в возбуждённое состояние. Это значит, что электроны, получившие избыточную энергию, переходят — на более высокие энергетические уровни. Образно говоря, атом расширяется, электронные оболочки раздуваются. Но это «неправильное», нестабильное состояние атома. Он очень быстро сбрасывает всю полученную энергию — разом или порциями, и снова становится нормальным стабильным

атомом.

ОДНОВРЕМЕННО ЧЕРЕЗ ЛУЧИСТУЮ ЗОНУ

ПРОДИРАЮТСЯ 10 в 60 степени ФОТОНОВ

2. РАССЕЯНИЕ. Однако бывает и так, что фотон, столкнувшись с частицей, лишь изменяет направление своего движения без всякого поглощения. Этот процесс называется рассеянием. Рассеяние тоже не обязательно толкает фотон наверх, «на выход». Скорее — вбок или даже назад. В результате таких вот приключений лучистая энергия, вышедшая из ядра, задерживается в зоне лучистого переноса на долгое время: от нескольких сотен тысяч до миллиона лет (вместо пары секунд), пока не дойдёт до следующего солнечного слоя — конвективной зоны.

Но появится она там уже не в форме тех энергичных (и крайне опасных для земных существ) гамма-квантов, какими была при выходе из ядра, а, в основном, в виде фотонов рентгеновского излучения. такие фотоны тоже высокоэнергичны. Каждый несёт в себе большой запас энергии — но уже на порядок меньше, чем гамма-кванты.

При этом, конечно, не все гамма-кванты перевоплощаются в зоне лучистого переноса в рентген. Вся энергия излучения так же, как в ядре, закономерно распределена по частотам согласно функции Планка. Точно так же, как в ядре, в зоне лучистого переноса есть кванты, излучающие в рентгене, ультрафиолете, оптике, инфракрасном и радиодиапазонах. Но если в ядре наибольшая доля энергии приходится на гамма-кванты, то в зоне лучистого переноса — уже на кванты рентгеновского излучения.

РЕЗУЛЬТАТ. Энергия ядра стала более «мягкой», больше частиц стало её носителями. Но до выхода её наружу, на поверхность Солнца, где мы можем её увидеть, ещё довольно далеко.