Солнце — одна из 400 млрд звезд в галактике Млечный путь, и самая близкая к нашей планете. Благодаря Солнцу сформировалась Земля, именно из-за солнечной активности на нашей планете происходят многие естественные процессы, без которых не было бы жизни. «Хайтек» разобрался, как формировалась самая важная для землян звезда, что с ней происходит сейчас и какое будущее ждет человечество.
Глава 1. Формирование
Считается, что Солнце сформировалось около 4,5 млрд лет назад благодаря относительно быстрому сжатию под силами гравитации облака молекулярного водорода. Существует несколько теорий возникновения Солнечной системы, приверженцы самой распространенной гипотезы считают, что эта область Млечного пути начала формироваться после взрыва одной или нескольких сверхновых.
Эта теория основана на том, что в первичном веществе Солнечной системы содержится аномальное количество золота и урана. Согласно многим математическим моделям, их должно быть на порядок меньше, поэтому ученые развивают теорию эндотермических реакций из-за взрыва сверхновой.
В последние миллиарды лет Солнце находится во внутреннем крае рукава Ориона Млечного пути — между рукавом Персея и рукавом Стрельца, в так называемом Местном межзвездном облаке — области повышенной плотности, расположенной, в свою очередь, в имеющем меньшую плотность Местном пузыре — зоне рассеянного высокотемпературного межзвездного газа.
Жизненный цикл Солнца
После постепенного формирования Солнца из оставшегося облака молекулярного газа под воздействием гравитации начали появляться и другие объекты Солнечной системы — каменные карлики недалеко от звезды и газовые гиганты на окраине образования. На Солнце приходится 99,8% всей массы его галактики, при этом оно больше и ярче, чем 85% звезд во Вселенной. Оставшиеся 0,2% массы Солнечной системы делят все остальные планеты, спутники, астероиды и космическая пыль, хотя большая часть из этой массы досталась Юпитеру.
Звезды такого типа, как Солнце, в среднем существуют около 10 млрд лет — то есть сейчас оно находится на середине своего жизненного пути.
Солнце в настоящий момент состоит на 70% из водорода, на 28% из гелия, оставшиеся 2% приходятся на различные металлы. Этот показатель будет постоянно меняться со временем, поскольку звезда получает энергию благодаря термоядерным реакциям, превращая водород в гелий в его ядре. Каждую секунду в ядре Солнца около 4 млн т вещества превращается в лучистую энергию, в результате чего генерируются солнечное излучение и поток солнечных нейтрино.
По спектральной классификации Солнце относится к типу G2V (желтый карлик). Средняя плотность Солнца составляет 1,4 г/см³ — в 1,4 раза больше, чем у воды. Температура — очень разная, зависит от слоя звезды — газовая поверхность нагревается не более чем до 5 тыс. градусов Цельсия, тогда как внешняя поверхность звезды — солнечная корона — может нагреться до 2 млн градусов Цельсия. Пока это одна из главных загадок в структуре Солнца, «Хайтек» подробно рассказывал об этом здесь.
Такое строение Солнца также сказывается и на разной скорости вращения его слоев. Поскольку Солнце не такое твердое тело, как Земля, его части вращаются с разной скоростью — на экваторе поверхность вращается один раз в 25,4 дней, а в районе полюсов — раз в 36 дней.
Расстояние от Земли до Солнца составляет в среднем 149,6 млн км — одна астрономическая единица. При этом солнце находится на расстоянии в 26 тыс. световых лет от центра Млечного пути. Один оборот вокруг центра галактики Солнечная система делает раз в 250 млн лет. В среднем орбитальная скорость Солнца составляет 217 км/час — это значит, что один световой год она проходит за 1,4 тыс. земных, а одну астрономическую единицу — за восемь земных суток.
Глава 2. Воздействие Солнца на Землю
Жизнь на Земле появилась под огромным влиянием Солнца. Излучение ближайшей к нам звезды — основной источник энергии для огромного количества процессов, происходящих на нашей планете. Свет необходим для начальных стадий фотосинтеза, в результате чего выделяется кислород для появления дальнейшей жизни, солнечное тепло определяет климат и температуру на Земле, именно солнечная энергия способствовала появлению нефти и других видов полезных ископаемых.
Земная поверхность и вся тропосфера — нижняя часть атмосферы, где образуются облака — получает энергию непосредственно от Солнца. До поверхности Земли доходят только 40% солнечного излучения, остальные 60% остаются в атмосфере или отражаются обратно в космос. При этом в последние десятилетия земная атмосфера начинает поглощать больше солнечного излучения из-за парникового эффекта.
Благодаря солнечному свету на Земле также происходят дожди, туманы, снегопады, ураганы, даже меняются течения, в том числе океанические, формируются Эль-Ниньо. Кроме того, под действием солнечного света образуются облака, из которых идут дожди, а также на море появляются волны, приводящие к эрозии пород.
Существует наука гелиобиология, изучающая воздействие активности Солнца на человека. Чаще всего ученые анализируют воздействие солнечного ветра на магнитосферу Земли — именно ее реакция сказывается сильнее всего на самочувствии человека, на работе многих электрических приборов.
Фотография Солнца в ультрафиолетовом участке спектра 19 августа 2010 года, изображенная в «ложных цветах». Получена Обсерваторией солнечной динамики
Другой объект изучения гелиобиологов — солнечные вспышки, когда звезда выбрасывает потоки высокоэнергетических заряженных частиц, долетающие до Земли за несколько часов. Несмотря на то, что Земля в основном защищена от них магнитосферой, вспышки сильно влияют на орбитальные спутники.
Кроме того, солнечное излучение радиоактивно, оно негативно влияет на развитие будущих космических миссий человечества. Люди давно изучают возможности создания колоний на близлежащих планетах, однако Солнце, несмотря на его доминирующее положение в развитии человечества, одновременно и тормозит выход людей в космос. «Хайтек» подробно рассказывал, как люди занимаются изучением Солнца и отправляют к нему спутники.
Глава 3. Будущее
К большому сожалению, будущее Земли пока является не самым светлым. Звезда такой массы, как Солнце, должна существовать на главной последовательности в общей сложности примерно 10 млрд лет. При этом уже сейчас Солнце просуществовало 4,5 млрд лет — около половины от своей возможной жизни.
По мере того, как Солнце постепенно расходует запасы водорода, оно становится все горячее, а его светимость медленно возрастает. Через 1,1 млрд лет — в возрасте 5,5 млрд лет — яркость Солнца увеличится на 11%. Тогда звезда начнет длительный переход в другой класс — красного гиганта, а жизнь на Земле полностью закончится из-за кардинального повышения температуры и парникового эффекта, связанного с увеличением солнечной активности. При этом в таком возрасте Солнце достигнет своей максимальной температуры и в будущем станет только остывать.
Недавно китайские ученые предложили несколько вариантов развития Земли и возможностей изменения орбиты, чтобы нашу планету не постигла судьба сухой и горячей Венеры.
К возрасту примерно в 8 млрд лет — через 3,5 млрд лет от настоящего времени — яркость Солнца увеличится на 40%. При этом по мере того, как водородное топливо в ядре Солнца будет сокращаться и выгорать, его внешняя оболочка начнет расширяться, а ядро, наоборот, сжиматься и нагреваться. К этому времени радиус Солнца увеличится настолько, что поверхность звезды будет находиться примерно в районе нынешней Венеры.
Постепенно Солнце начнет медленнее крутиться, и даже если жителям Земли к тому моменту удастся избежать вымирания, планета постепенно начнет сходить с орбиты и приближаться к звезде. Кроме того, мощнейший солнечный ветер, связанный со снижением производства энергии из водорода и уплотнения гелия, должен уничтожить всю атмосферу Земли.
В возрасте 10,9 млрд лет водород в ядре закончится, а температура увеличится настолько, что запустится процесс горения водорода в окружающей его оболочке. Это приведет к тому, что Солнце перейдет в другую классификацию и станет красным гигантом. В этой фазе радиус солнца увеличится уже в 256 раз по сравнению с современным, а внешние слои достигнут орбиты нынешней Земли.
Снимок Солнца, сделанный с помощью спектрографического телескопа NASA
Красный гигант — самая короткая фаза жизни Солнца. Спустя 10 млн лет в ядре температура достигнет 100 млн градусов Цельсия, произойдет гелиевая вспышка, благодаря которой начнется термоядерная реакция синтеза углерода и кислорода из гелия. В результате появления нового источника энергии размер Солнца резко уменьшится — на период в 100 млн лет, пока звезда не уничтожит весь гелий. После этого она снова станет красным гигантом, а яркость увеличится уже в 5,2 тыс. раз. В таком состоянии Солнце просуществует не более 20 млн лет, после чего внешняя оболочка звезды оторвется от ядра, и от нее останется только белый карлик, сравнимый по размеру с Землей. Ученые считают, что у звезды не хватит энергии, чтобы закончить свое существование взрывом сверхновой или трансформацией в черную дыру.
Появившийся в результате смерти Солнца белый карлик будет постепенно угасать в течение миллиардов лет. Такой жизненный цикл считается типичным для звезд комплекции и состава Солнца, поэтому крайне маловероятно, что солнечное развитие пойдет по другому пути. Человечество, если, конечно, нам не удастся основать внеземные колонии или сбежать в соседние галактики, вряд ли застанет столь бесславный конец нашей главной звезды — звезды по имени Солнце.
