Structura și compoziția Soarelui

Figura 15.1 Steaua noastră. Soarele – steaua noastră locală – este medie din multe puncte de vedere. Cu toate acestea, asta nu o împiedică să fie un obiect fascinant de studiat. De la erupțiile solare și ejecțiile de masă coronară, precum cea văzută venind de la Soare în dreapta sus a acestei imagini, Soarele este un corp foarte dinamic în centrul sistemului nostru solar. Această imagine combină două imagini separate prin satelit ale Soarelui – cea interioară de la Observatorul de dinamică solară și cea exterioară de la Observatorul solar și heliosferic.

„Vremea în spațiu” poate suna ca o contradicție. Cum poate fi vreme în vidul spațiului? Cu toate acestea, vremea spațială, care se referă la schimbarea condițiilor din spațiu, este un domeniu activ de cercetare și poate avea efecte profunde asupra Pământului. Cu toții suntem familiarizați cu suișurile și coborâșurile vremii de pe Pământ și cu cât de puternice pot fi furtunile, devastatoare pentru oameni și vegetație. Deși suntem despărțiți de Soare de o distanță mare, precum și de vidul spațiului, acum înțelegem că marile explozii ale Soarelui (furtuni solare, de fapt) pot provoca modificări în atmosfera și câmpul magnetic al Pământului, uneori provocând chiar și probleme serioase la sol. În acest capitol, vom explora natura straturilor exterioare ale Soarelui, condițiile și activitatea în schimbare de acolo și modurile în care Soarele afectează Pământul.

Studiind Soarele, învățăm și multe lucruri care ne ajută să înțelegem stelele în general. Soarele este, în termeni astronomici, o stea destul de obișnuită – nu neobișnuit de fierbinte sau rece, bătrână sau tânără, mare sau mică. Într-adevăr, suntem norocoși că Soarele este tipic. Așa cum studiile asupra Pământului ne ajută să înțelegem observațiile planetelor mai îndepărtate, la fel și Soarele servește ca ghid pentru astronomi în interpretarea mesajelor conținute în lumina pe care o primim de la stelele îndepărtate. După cum veți învăța, Soarele este dinamic, în continuă schimbare, echilibrând forțele naturii pentru a se menține în echilibru. În acest capitol, descriem componentele Soarelui, cum se schimbă acesta în timp și cum afectează aceste schimbări Pământul.

Structura și compoziția Soarelui

Soarele, ca toate stelele, este o minge enormă de gaz extrem de fierbinte, în mare parte ionizat, care strălucește prin propria sa putere. Practic, e enorm. În Soare ar putea încăpea 109 Pământuri unul lângă altul pe diametrul său și are suficient volum (ocupă suficient spațiu) pentru a ține aproximativ 1,3 milioane de Pământuri.

Soarele nu are o suprafață solidă sau continente precum Pământul, și nici nu are un nucleu solid (Figura 15.2). Cu toate acestea, are o structură variată care poate fi discutată ca o serie de straturi, ca o ceapă. În această secțiune, descriem schimbările uriașe care au loc în interiorul extins și în atmosfera Soarelui, precum și erupțiile dinamice și violente care apar zilnic în straturile sale exterioare.

Figura 15.2 Pământul și Soarele. Aici, se arată Pământul la scală cu o parte din Soare și o buclă uriașă de gaz fierbinte care erupe de la suprafața sa. Dreapta jos arată întregul Soare, mai mic.

Unele dintre caracteristicile de bază ale Soarelui sunt enumerate în Tabelul 15.1. Deși unii dintre termenii din acel tabel s-ar putea să vă fie nefamiliari în acest moment, îi veți cunoaște pe măsură ce citiți mai departe.

Caracteristica	Cum a fost găsită	Valoarea
Distanța medie	Reflexia radar de pe planete	1 AU (149,597,892 km)
Distanța maximă față de Pământ		1.521 × 10⁸ km
Distanța minimă față de Pământ		1.471 × 10⁸ km
Masa	Orbita Pământului	333,400 Masele pământului (1.99 × 10³⁰ kg)
Diametrul unghiular mediu	Măsurare directă	31´59´´.3
Diametrul fotosferei	Dimensiunea unghiulară și distanța	109.3 × Masele pământului (1.39 × 10⁶ km)
Densitatea medie	Masa/volum	1.41 g/cm³ (1400 kg/m³)
Accelerația gravitațională la fotosferă (gravitația la suprafață)	GM/R²	27.9 × Gravitația de la suprafața Pământului = 273 m/s²
Solar constant	Instrument sensibil la radiații la toate lungimile de undă	1370 W/m²
Luminozitatea	Constanta solară × aria suprafeței sferice de 1 UA în rază	3.8 × 10²⁶ W
Clasa spectrală	Spectru	G2V
Temperatura efectivă	Derivat din luminozitatea și raza Soarelui	5800 K
Perioada de rotație la ecuator	Petele solare și Doppler se modifică în spectrele luate la marginea Soarelui	24 zile 16 ore
Înclinația ecuatorului spre ecliptică	Mișcările petelor solare	7°10´.5

Tabelul 15.1 Caracteristicile Soarelui

Compoziția atmosferei Soarelui

Să începem prin a întreba din ce este făcută atmosfera solară. După cum se explică în Radiația și Spectrul, putem folosi spectrul liniei de absorbție a unei stele pentru a determina ce elemente sunt prezente. Se dovedește că Soarele conține aceleași elemente ca Pământul, dar nu în aceleași proporții. Aproximativ 73% din masa Soarelui este hidrogen, iar alte 25% este heliu. Toate celelalte elemente chimice (inclusiv cele pe care le cunoaștem și le iubim în propriul nostru corp, cum ar fi carbonul, oxigenul și azotul) reprezintă doar 2% din steaua noastră. Cele mai abundente 10 gaze din stratul vizibil al suprafeței Soarelui sunt enumerate în Tabelul 15.2. Examinați acel tabel și observați că compoziția stratului exterior al Soarelui este foarte diferită de cea a scoarței Pământului, unde trăim. (În scoarța planetei noastre, cele mai abundente trei elemente sunt oxigenul, siliciul și aluminiul.) Deși nu este ca planeta noastră, alcătuirea Soarelui este destul de tipică stelelor în general.,

Element	Procentul după numărul de atomi	Procent după masă
Hidrogen	92.0	73.4
Heliu	7.8	25.0
Carbon	0.02	0.20
Azot	0.008	0.09
Oxigen	0.06	0.80
Neon	0.01	0.16
Magneziu	0.003	0.06
Siliciu	0.004	0.09
Sulf	0.002	0.05
Fier	0.003	0.14

Tabelul 15.2 Abundența elementelor în Soare

Faptul că Soarele nostru și stelele au toate compoziții similare și sunt formate în mare parte din hidrogen și heliu a fost arătat pentru prima dată într-o teză strălucitoare în 1925 de către Cecilia Payne-Gaposchkin, prima femeie care a obținut un doctorat în astronomie în Statele Unite ( Figura 15.3). Cu toate acestea, ideea că cele mai simple gaze ușoare — hidrogenul și heliul — erau cele mai abundente elemente din stele a fost atât de neașteptată și atât de șocantă încât a fost convinsă că analiza datelor ei trebuie să fie greșită. La acea vreme, ea a scris: „Abundența enormă derivată pentru aceste elemente în atmosfera stelară este aproape sigur că nu este reală”. Chiar și oamenilor de știință le este uneori greu să accepte idei noi care nu sunt de acord cu ceea ce toată lumea „știe” că are dreptate.

Figura 15.3 Cecilia Payne-Gaposchkin (1900–1979). Teza ei de doctorat din 1925 a pus bazele înțelegerii compoziției Soarelui și a stelelor. Cu toate acestea, fiind femeie, nu a primit o numire oficială la Harvard, unde a lucrat, până în 1938 și nu a fost numită profesor până în 1956. (Credit: Smithsonian Institution)

Înainte de lucrarea lui Payne-Gaposchkin, toată lumea presupunea că compoziția Soarelui și a stelelor ar fi mult asemănătoare cu cea a Pământului. La 3 ani de la teza ei, alte studii au demonstrat fără îndoială că abundența enormă de hidrogen și heliu din Soare este într-adevăr reală. (Și, după cum vom vedea, compoziția Soarelui și a stelelor este mult mai tipică pentru structura universului decât concentrația ciudată de elemente mai grele care caracterizează planeta noastră.)

Majoritatea elementelor găsite în Soare sunt sub formă de atomi, cu un număr mic de molecule, toate sub formă de gaze: Soarele este atât de fierbinte încât nicio materie nu poate supraviețui ca lichid sau solid. De fapt, Soarele este atât de fierbinte încât mulți dintre atomii din el sunt ionizați, adică lipsiți de unul sau mai mulți electroni. Această îndepărtare a electronilor din atomii lor înseamnă că există o cantitate mare de electroni liberi și ioni încărcați pozitiv în Soare, făcându-l un mediu încărcat electric – destul de diferit de cel neutru în care citiți acest text. (Oamenii de știință numesc un astfel de gaz ionizat fierbinte plasmă.)

În secolul al XIX-lea, oamenii de știință au observat o linie spectrală la 530,3 nanometri în atmosfera exterioară a Soarelui, numită coroană (un strat despre care vom discuta mai târziu). Această linie nu a mai fost văzută până atunci, așa că s-a presupus că această linie era rezultatul unui nou element găsit în coroană, denumit rapid coronium.. Abia după 60 de ani, astronomii au descoperit că această emisie se datorează de fapt fierului puternic ionizat – fier cu 13 electroni îndepărtați. Așa s-a descoperit pentru prima dată că atmosfera Soarelui avea o temperatură de peste un milion de grade.