Основное вещество, составляющее Солнце, — водород, на его долю приходится около 71% всей массы светила. Почти 27% принадлежит гелию, а остальные 2% — более тяжёлым элементам, таким как углерод, азот, кислород и металлы.
По-видимому, наиболее важной для большинства звёзд является протон-протонная термоядерная реакция, когда при тесном сближении ядер атомов водорода — протонов происходит ряд последовательных ядерных превращений и образуется ядро гелия, так что главным «топливом» на Солнце служит именно водород. Из каждого грамма водорода, участвующего в реакции, выделяется 6∙1011 Дж энергии! На Земле такого количества энергии хватило бы для того, чтобы 1000 м3 воды(!) нагреть от температуры 0 °С до точки кипения.
Сейчас внутри Солнца гораздо больше гелия, чем на его поверхности. Естественно, возникает вопрос: что же будет с Солнцем, когда весь водород в его ядре выгорит и превратится в гелий, и как скоро это произойдёт? Оказывается, примерно через 5 млрд. лет содержание водорода в ядре Солнца настолько уменьшится, что его «горение» начнётся в слое вокруг ядра. Это приведёт к «раздуванию» солнечной атмосферы, увеличению размеров Солнца, падению температуры на поверхности и повышению её в ядре.
Постепенно Солнце превратится в красный гигант — сравнительно холодную звезду огромного размера с атмосферой, превосходящей границы орбиты Земли. Жизнь Солнца на этом не закончится, и оно будет претерпевать ещё много изменений, пока в конце концов не станет холодным и плотным газовым шаром, внутри которого уже не произойдёт никаких термоядерных реакций.
Гелиосфера и межпланетные магнитные поля
В конце 1950-х гг. американский астрофизик Юджин Паркер предположил, что газ солнечной короны непрерывно расширяется, заполняя Солнечную систему. Он основывался на том, что газ в солнечной короне имеет высокую температуру, которая сохраняется с удалением от Солнца. Результаты, полученные с помощью советских и американских космических аппаратов, подтвердили правильность теории Паркера.
В межпланетном пространстве действительно мчится направленный от Солнца поток вещества, названный солнечным ветром. Он представляет собой продолжение расширяющейся солнечной короны. Солнечный ветер состоит в основном из ядер атомов водорода (протонов) и гелия (альфа-частиц), а также электронов.
Солнечный ветер создаёт пузырь в межзвёзной среде, называемый гелиосферой. Внешняя граница солнечного ветра называется гелиопаузой, за ней солнечный ветер и межзвёздное вещество смешиваются, взаимно растворяясь. Гелиопауза находится примерно в четыре раза дальше Плутона и считается началом межзвёздной среды, она вытянута в противоположную движению Солнца сторону.
Благодаря исследованиям космических аппаратов «Вояджер» стало известно, что магнитное поле на границе Солнечной системы имеет структуру, похожую на пену. Каждый «пузырёк» этой «космической пены» составляет в поперечнике порядка 150 млн. км, что соответствует расстоянию от Солнца до Земли! Возникают эти магнитные «пузыри» на границе Солнечной системы из-за того, что наша звезда вращается, и её вращение приводит к тому, что линии магнитного поля «запутываются» и образуют самодостаточные структуры («пузыри»), отделившиеся от основного магнитного поля звезды.
В настоящее время «Вояджеры» вплотную приблизились к самой границе Солнечной системы, и ожидается, что в ближайшие годы человечество получит ценную информацию об условиях в местном межзвёздном облаке за её пределами, а также о том, насколько хорошо гелиосфера защищает Солнечную систему от космических лучей.
Частицы солнечного ветра летят со скоростями несколько сотен километров в секунду, удаляясь от Солнца на многие десятки астрономических единиц — туда, где межпланетная среда Солнечной системы переходит в разреженный межзвёздный газ. А вместе с ветром в межпланетное пространство переносится и солнечное магнитное поле.
Общее магнитное поле Солнца по форме линий магнитной индукции немного напоминает земное. Но силовые линии земного поля близ экватора замкнуты и не пропускают направленные к Земле заряженные частицы. Силовые линии солнечного поля, напротив, в экваториальной области разомкнуты и вытягиваются в межпланетное пространство, искривляясь подобно спиралям. Объясняется это тем, что силовые линии остаются связанными с Солнцем, которое вращается вокруг своей оси.
Солнечный ветер вместе с «вмороженным» в него магнитным полем формирует газовые хвосты комет, направляя их в сторону от Солнца. Встречая на своём пути Землю, солнечный ветер сильно деформирует её магнитосферу, в результате чего наша планета обладает длинным магнитным «хвостом», также направленным от Солнца. При этом магнитное поле Земли чутко отзывается на обдувающие её потоки солнечного вещества.
Как Солнце влияет на Землю?
Солнце посылает на Землю электромагнитные волны всевозможной длины — от многокилометровых радиоволн до чрезвычайно коротковолновых гамма-лучей. Окрестностей Земли достигают также заряженные частицы разной энергии — как высокой (солнечные космические лучи), так и низкой и средней (потоки солнечного ветра, выбросы от вспышек), называемые солнечным ветром. Только очень малая часть заряженных частиц из межпланетного пространства попадает в атмосферу Земли (остальные отклоняет или задерживает геомагнитное поле).
Быстрые частицы вызывают сильные токи в земной атмосфере, приводят к возмущению магнитного поля нашей планеты и даже влияют на циркуляцию воздуха в атмосфере. Наиболее ярким и впечатляющим проявлением бомбардировки атмосферы солнечными частицами являются полярные сияния. Это свечение в верхних слоях атмосферы, имеющее либо размытые (диффузные) формы, либо вид корон или занавесей (драпри), состоящих из многочисленных отдельных лучей. Сияния обычно бывают красного или зелёного цвета
Ионизацию земной атмосферы и нарушение связи на коротких волнах вызывают рентгеновские кванты, проникающие до высот 80–100 км от поверхности Земли. Они образуются при сильных всплесках солнечного рентгеновского излучения от хромосферных вспышек.
Часть наиболее длинноволнового ультрафиолетового излучения, которая доходит до земной поверхности, вызывает у людей загар и даже ожоги кожи при длительном пребывании на солнце. Основной же поток приходящих от Солнца губительных для всего живого ультрафиолетовых лучей задерживает «озонный экран», формирующийся на высоте 30–35 км над поверхностью Земли.
Излучение в видимом диапазоне поглощается 3 слабо. Однако оно рассеивается атмосферой даже в отсутствие облаков, и часть его возвращается в межпланетное пространство. Облака, состоящие из капелек воды и твёрдых частиц, значительно усиливают отражение солнечного излучения. В результате до поверхности планеты доходит в среднем около половины света, падающего на границу земной атмосферы.
На Земле излучение поглощается сушей и океаном. Нагретая земная поверхность излучает в длинноволновой инфракрасной области. Это излучение жадно поглощается водяным паром и углекислым газом, благодаря чему воздушная оболочка удерживает тепло. В этом и заключается парниковый эффект атмосферы.
Встречая на своём пути Землю, солнечный ветер сильно деформирует её магнитосферу, в результате чего наша планета обладает длинным магнитным «хвостом», также направленным от Солнца. Магнитное поле Земли чутко отзывается на обдувающие её потоки солнечного вещества.