Солнце – стационарная звезда

Тип урока: урок открытия новых знаний. Урок-лекция.

Цели урока:

• Содержательная: На примере изучения строения и физических характеристик Солнца получить представление о стационарных звездах. Знакомство с понятием «стационарная звезда».
• Деятельностная: Формирование у учащихся научной картины мира.

Задачи:

• Обучающие: изучить строение стационарной звезды на примере Солнца, физические характеристики, спектральный состав, особенности движения, происхождение.
• Развивающие: Развитие логического мышления, расширение кругозора о жизни звезд.

1. Повторение

1) Какие типы звезд вам известны?

- Звезды стационарные: типа Солнца, гиганты, сверхгиганы; физически - переменные звезды, красные гиганты, новые, сверхновые, нейтронные звезды, пульсары, белые карлики, красные карлики, коричневые карлики и черные дыры.

2) По каким характеристикам отличаются звезды?

- По массе, размерам, цвету, температуре, светимости.

3) Какая характеристика звезды является основной?

- Масса определяет жизненный путь звезды. Если масса протозвезды составляет менее 0,1 массы Солнца, в такой протозвезде никогда не начнутся ядерные реакции, такая звезда является красным карликом, пока не растратят всю энергию. Коричневыми карликами становятся звезды меньшей 1/12 массы Солнца. Массы типа Солнца более 0,1 массы Солнца, то такие звезды образуют статус звезды.

4) Какие характеристики звезд определяет масса звезды?

- Светимость звезды пропорционально четвертой степени массы: L ≈ М⁴.

Жизненный путь звезды тем меньше, чем больше масса звезды, т.е. интенсивнее в звезде происходят физические процессы.

5) В каких пределах находятся массы звезды типа Солнца, гиганты, сверхгиганты?

• типа Солнца: от 0,1 M_c до 1,2 M_c ;
• гиганты: от 1,4 M_cдо 3 M_c;
• свехргиганты от 3 M_c.

6) Проследите связь между всеми характеристиками звезд. Назовите гарвардскую классификацию звезд. К какому типу звезд принадлежит наше Солнце?

- Светимость звезды пропорциональна 4-й степени температуры, четвертой степени массы, второй степени радиуса: L ≈ М⁴; L ≈ T⁴; L ≈ R⁴

Температура звезды определяет цвет звезды.

- Классы звезд: О, В, F, G, К, М. Каждый класс делится на 7 или 10 подклассов.

Класс	Цвет	Температура
О	голубые	30000-60000 К
В	бело-голубые	10000-30000 К
А	белые	7500-10000 К,
F	бело-желтые	6000-7500 К
G	желтые	5000-6000 К, жёлтый
К	желто-оранжевые	3500-5000 К
М	оранжево-красные.	2000-3500 К

2. Обьяснение нового материала

Теория образования Солнечной системы и Солнца

Конденсационная теория происхождения Солнечной системы рассматривает совместное образование нашего Солнца и его планетной семьи из вращающегосягазопылевого облака около 5 миллиардов лет назад.

Большая часть этого облака сконденсировалась в Солнце. На Солнце приходится больше 99% массы Солнечной системы, что обеспечивает силу тяготения, удерживающую планеты на орбитах. Солнце формируется внутри газопылевого облака из молекулярного водорода, пыли и осколков, образованных взрывами сверхновых звезд.

Как все звезды образуются в результате сжатия холодных молекулярных облаков, которые оказались сжатыми горячим ионизированным газом. Сжатие облаков способствует образованию сгустков вращающегося газопылевого облака - протозвезд. При достижении на протяжении миллионов лет температуры в них Кельвин происходит рождение стационарной звезды. Внутри звезды загораются термоядерные реакции загорания водорода и превращения его в гелий.

Протон - протонный цикл:

Стационарная звезда - это гидростатически равновесный объект, у которого сила давления газа изнутри уравновешивается силами гравитационного сжатия. Под действием взаимного тяготения каждая частица плазмы стремится к центру, и вещество плазмы принимает форму шара.

Стационарная звезда - плазменный шар, самостоятельно устанавливающий, регулирующий и поддерживающий внутренние условия.

Солнце - типичная стационарная звезда второго поколения, «желтый карлик» спектрального класса G2. Солнце находится в одном из спиральных рукавов нашей галактики «Млечный путь» посередине между центром и краем галактики, на расстоянии от центра галактики 30000 световых лет Возраст Солнца - 4,5(7) миллиардов лет, а в галактических годах - 25 галактических лет. Галактический год - период обращения вокруг центра галактики - 200 миллионов лет.На первом галактическом году - появились планеты, на четвертом - человек. Солнце является центром нашей планетной системы, в которую кроме него входят 8 больших планет, несколько десятков спутников планет, несколько тысяч астероидов (малых планет), кометы, метеорные тела, межпланетные пыль и газ.

Среднее расстояние между Землей и Солнцем, называемое астрономической единицей составляет примерно 150 миллионов километров. Астрономы используют астрономическую единицу для измерения расстояний в Солнечной системе.

Движение Солнца

1. Солнце движется как все звезды в направлении созвездияГеркулеса со скоростью 20 км/свместе с 8 планетами.

2. Солнце, как и все звезды обращается вокруг центра галактики со скоростью 250 км/с с периодом 200 миллионов лет - галактический год.

Как все звезды движется вокруг оси с периодом вращения 25/35 суток, т.е. вращение Солнца носит дифференцированный характер. Солнце, подобно Земле, вращается вокруг своей оси с запада на восток. Скорость вращения определяется по видимому движению различных деталей в атмосфере Солнца и по сдвигу спектральных линий в спектре края диска Солнца вследствие эффекта Доплера.

Таким образом, обнаружено, что период вращения Солнца неодинаков на различных широтах.

Краткая характеристика Солнца.

Солнце - единственная звезда в нашей Солнечной системе, которая является желтым карликом.

Параметры Солнца.

• Радиус Солнца: R=696 тыс. км. (Радиус Земли - 6370 км).
• Масса Солнца: M=2·10³⁰ кг. (Масса Земли - 6 ∙ 10²⁴ кг)
• Эффективная температура поверхности (фотосферы) 60000 K (Кельвинов).
• Средняя плотность Солнца: 1,4 г/см³. (Плотность Земли - 5,5 кг/см³)
• Ускорение свободного падения 274 м/с². (Gз = 9,8 м/с2)
• Период вращения (синодический) меняется от 32 суток около полюсов до 27 суток на экваторе.

Строение Солнца

Солнце состоит из ядра, зоны энерговыделения, зоны конвекции, и атмосферы. Атмосфера состоит из фотосферы, хромосферы, короны.

Ядро по размеру составляет 1/3 часть размеров Солнца. Плотность ядра в 13 раз больше плотности свинца. Внутри Солнца идут термоядерные реакции синтеза водорода в гелий протон - протонный цикл.

Солнечное нейтрино является результатом ядерных реакций, которое доходит до центра к поверхности, не поглощаясь.

Ядро Солнца - центральная часть Солнца со сверхвысоким давлением и температурой, обеспечивающих протекание термоядерных реакций.
температура в ядре составляет 15 000 000 К.

Плотность ядра - 150 000 кг/м³(в 150 000 раз больше плотности воды).

Зона энерговыделения или лучистая зона. В зоне энерговыделения энергия в недрах ядра переносится излучением ее внутренними слоями, поглощение следующими вышележащими, переизлучением энергии этими слоями и поглощение вышележащими. Каждый последующий слой излучает квант меньшей энергии. Следующей за лучистой зоной является зона конвекции, где перенос энергии осуществляется потоками плазмы, то есть более горячий расширенный слой поднимается на поверхность в верхнем слое, что является причиной гранул в фотосфере. Зона конвекции - область звезды (и в частности Солнца),в которой перенос энергии из внутренних районов во внешние происходит главным образом путём активного перемешивания вещества - конвекции.

Скорость конвекции зависит от глубины. У основания конвективной зоны она мала (десятки м/c),под фотосферой она достигает значений 1-2 км/с.

Фотосфера - внешняя область Солнца, нижняя часть атмосферы Солнца, примыкающая к конвективной зоне.

Хромосфера - это самая верхняя часть солнечной атмосферы. Она простирается на несколько тысяч километров над фотосферой, становится видимой с Земли только во время полного солнечного затмения, когда светит красным светом благодаря наличию там водорода. Хромосфера содержит и другие элементы, включая гелии кальций. Из-за грануляции фотосфера имеет зернистую структуру и составляет 1/3 часть солнечного диска.

Корона имеет круглую форму в годы максимума солнечной активности, а в годыминимума солнечной активности вытянутую в плоскости экватора Солнца. Во время вспышек усиливаются потоки плазмы в виде солнечного ветра - корональные лучи. Для исследования Солнца применяют коронографы. Коронограф - телескоп для наблюдения Солнца на высоте 2000 м и выше над уровнем моря. Солнечная активность и солнечно - земные связи.

В фотосфере Солнца наблюдаются пятна.

Пятна - темные, относительно холодные участки на фотосфере Солнца в виде групп, являющиеся результатом больших локальных магнитных полей в зоне +/- 30°от экватора, подавляющих конвективные движения. Пятна превышают размер Земли более чем в 10 раз и видны на заходе и восходе Солнца. Активные группы пятен регенерируют солнечные вспышки в тех местах, где происходит прорыв плазмы сквозь подавляющие магнитные поля из-за ослабления и перезамыкания магнитных полей, то есть их перестройки. В области ослабления магнитных полей появляются факелы.

Солнечный ветер - это поток электрически заряженных частиц большой энергии, которые все время улетают из солнечной короны в направлении границ Солнечной системы.

Протуберанцы - это огненные языки яркого газа, которые поднимаются на сотни тысяч километров над солнечным лимбом. Они состоят из относительно холодного (10000К) плотного газа в более горячей (10000000К) и более разреженный окружающей короне. Протуберанцы, видимо, образуются в области солнечных пятен. Протубера́нцы (1-2 млн. км.) плотные конденсации относительно холодноговещества, которые поднимаются и удерживаются над поверхностью Солнца магнитным полем. Образуются при сильной активности солнечных пятен.

Хромосферные вспышки - огромные, короткоживущие выбросы света и вещества, являющиеся результатом перестройки магнитных силовых линий. Хромосферные вспышки сопровождаются выбросом протонов, электронов, гамма-излучения, рентгеновского излучения, радиоизлучения, солнечного ветра. Вспы́шка - взрывной процесс выделения энергии в атмосфере Солнца.

Солнечные вспышки и протуберанцы являются независимыми явлениями солнечной активности.

Спикулы - языки на краю диска в виде выбросов плазмы со скоростью 20 или 30 км/с в течении 5-10 мин.

Корона имеет круглую форму в годы максимума солнечной активности и в годыминимумы солнечной активности вытянутую в плоскости экватора Солнца. Во время вспышек усиливаются потоки плазмы в виде солнечного ветра - корональные лучи.

Спектр Солнца - совокупность частот (или длин волн), которые содержатся в излучении звёзды.

Солнце имеет непрерывный спектр, на который налагаются темные фраунгоферовы линии поглощения. Солнце излучает энергию во всех длинах волн, от гамма-излучения до радиоволн. Видимая, или визуальная, часть солнечного спектра представляет собой спектр поглощения. Темные линии поглощения в спектре Солнца вызываются поглощением света в нижних слоях разреженной газовой оболочки, окружающей фотосферу. В видимой области спектра Солнца наиболее интенсивны линии ионизованного кальция и линии водорода. Спектральные линии однозначно характеризуют химические элементы их излучающие, фраунгоферов спектр позволяет судить о химическом составе звёздных атмосфер. В атмосфере Солнца присутствуют такие элементы, как водород, железо, хром, кальций, натрий и др. в разных стадиях ионизации. На Солнце впервые спектроскопическими методами был открыт гелий.

Солнечный цикл - это период времени, через который активизируются нестационарные образования в атмосфере Солнца:

• В фотосфере: пятна и факелы
• В хромосфере: вспышки, которые охватывают всю атмосферу, и спикулы.
• В короне: протуберанцы и корональные лучи.

Солнечная активность

Солнечными циклами называются периодические изменения в солнечной активности.

Предполагается наличие большого количества циклов с периодами 11, 22, 87, 210, 2300 и 6000 лет.

Основные циклы продолжительностью 11, 22 и 2300 лет носят также название, соответственно, циклов Швабе, Хейла и Холлстатта. Солнечный цикл22 года - это период, через который происходит смена полярности пятен. Число пятен меняется через каждые 11,2 года, близ полюсов число пятен равно 0 в год солнечный активности. Появление и рост солнечных пятен генерирует фотосферные вспышки, которые проецируются на хромосферные. Во время вспышек усиливаются корональные лучи. Относительная интенсивность 11-летних циклов меняется с периодом 80 лет.

Солнечно-земные связи

• Магнитное поле Солнца.
• Солнечный ветер (корпускулярное излучение Солнца).
• Электромагнитное излучение (весь спектр)

Влияние Солнца на процессы на Земле

1. Земля получает от Солнца только свет и тепло, обеспечивающее необходимый уровень освещенности и среднюю температуру поверхности, но и подвергается воздействию ультрафиолетового, рентгеновского излучения, солнечного ветра, солнечных космических лучей.

2. Из-за вспышек на Солнце происходит сбой в радиосвязи.

3. Солнечные корональные лучи истощают озонный слой, повышая уровень радиации на Земле.

4. Установлена связь между уровнем солнечной активности и процессами в биосфере: динамикой популяции животных, эпидемий, количеством сердечно-сосудистых заболеваний.

Магнитные бури препятствуют навигации судов и пилотированию самолетов.

Исследование Солнца

При исследовании Солнца необходимо учитывать, что предостережение: никогда нельзя смотреть на Солнце через бинокуляр и телескоп. Можно лишиться зрения. В международном масштабе организована система непрерывных наблюдений Солнца - служба Солнца, в которой участвуют все крупные астрофизические обсерватории. Исследования Солнца происходят с помощью оптических солнечных телескопов, которые фотографируют видимую поверхность Солнца. С помощью инфракрасных телескопов наблюдают солнечный лимб и солнечные пятна.Изучение солнечной короны возможно при солнечных затмениях. Коронографы - это телескопы, сконструированные для создания искусственных затмений, они используются для фотографирования короны. В международном масштабе организована система непрерывных наблюдений Солнца - служба Солнца, в которой участвуют все крупные астрофизические обсерватории. С помощью анализа солнечного спектра был определен химический состав Солнца, в основном это водород и гелий. С помощью оптических солнечных телескопов фотографируют видимую поверхность Солнца. С помощью инфракрасных телескопов наблюдают солнечный лимб и солнечные пятна. Изучение солнечной короны возможно при солнечных затмениях. Коронографы - это телескопы, сконструированные для созданияискусственных затмений, они используются для фотографирования короны.

Вывод: Солнце - самое могущественное тело солнечной системы, по размерам превосходящее Землю в миллионы раз. Все многообразие солнечных явлений свойственны не только Солнцу, но и другим звездам. Поэтому физика солнечных явлений имеет огромное значение для развития астрофизики в целом.

Подведение итогов

1. Какие звезды называют стационарными?
2. К какому классу звезд относится Солнце?
3. В каких движениях участвует Солнце?
4. Назовите строение стационарной звезды на примере Солнца.
5. Что понимают под Солнечной активностью? Какие солнечные циклы существуют?
6. Какая связь между солнечной активностью и процессами на Земле?
7. Что представляет собой солнечный спектр?
8. Что известно об исследовании Солнца?

Литература

1. Д.Моше. Астрономия. Москва. Просвещение. 1985.
2. А.В.Засов, Э.В.Кононович. Астрономия. Москва. Физматлит, 2017.
3. Е.П.Левитан. Астрономия. Москва. Просвещение. 2002.