Сколько еще будет существовать Солнце, что с ним случится в конце и почему через 3,5 миллиарда лет условия на Земле будут такими же, как сейчас на Венере, — «Теории и практики» публикуют отрывок из книги астронома Михаила Марова «Космос. От Солнечной системы вглубь Вселенной», которая вошла в этом году в длинный список премии «Просветитель».

Солнце — центральное светило, вокруг которого обращаются все планеты и малые тела Солнечной системы. Это не только центр тяготения, но и источник энергии, обеспечивающий тепловой баланс и природные условия на планетах, в том числе жизнь на Земле. Движение Солнца относительно звезд (и горизонта) изучалось с древних времен, чтобы создавать календари, которые люди использовали, прежде всего, для сельскохозяйственных нужд. Григорианский календарь, в настоящее время используемый почти повсюду в мире, является по существу солнечным календарем, основанным на циклическом обращении Земли вокруг Солнца*. Визуальная звездная величина Солнца равна 26,74, и оно является самым ярким объектом на нашем небе.

Солнце — рядовая звезда, находящаяся в нашей галактике, называемой просто Галактика или Млечный Путь, на расстоянии ⅔ от ее центра, что составляет 26000 световых лет, или ≈10 кпк, и на расстоянии ≈25 пк от плоскости Галактики. Оно обращается вокруг ее центра со скоростью ≈220 км/с и периодом 225–250 миллионов лет (галактический год) по часовой стрелке, если смотреть со стороны северного галактического полюса. Орбита является, как предполагают, приблизительно эллиптической и испытывает возмущения галактических спиральных рукавов из-за неоднородных распределений звездных масс. Кроме того, Солнце совершает периодические перемещения вверх и вниз относительно плоскости Галактики от двух до трех раз за оборот. Это приводит к изменению гравитационных возмущений и, в частности, оказывает сильное влияние на устойчивость положения объектов на краю Солнечной системы. Это служит причиной вторжения комет из Облака Оорта внутрь Солнечной системы, что ведет к увеличению ударных событий. Вообще же, с точки зрения различного рода возмущений, мы находимся в довольно благоприятной зоне в одном из спиральных рукавов нашей Галактики на расстоянии ≈ ⅔ от ее центра.

*Григорианский календарь, как система исчисления времени, был введен в католических странах папой римским Григорием XIII 4 октября 1582 года взамен прежнего юлианского календаря, и следующим днем после четверга 4 октября стала пятница 15 октября. Согласно григорианскому календарю продолжительность года равна 365,2425 суток и 97 из 400 лет — високосные.

В современную эпоху Солнце расположено вблизи внутренней стороны рукава Ориона, перемещаясь внутри Местного Межзвездного Облака (ММО), заполненного разреженным горячим газом, возможно остатком взрыва сверхновой. Эту область называют галактической обитаемой зоной. Солнце движется в Млечном Пути (относительно других близких звезд) по направлению к звезде Вега в созвездии Лира под углом приблизительно 60 градусов от направления к галактическому центру; его называют движением к апексу.

Интересно, что, так как наша Галактика также перемещается относительно космического микроволнового фонового излучения (CMB— Cosmic Microvawe Background) со скоростью 550 км/с в направлении созвездия Гидры, результирующая (остаточная) скорость Солнца относительно CMB составляет около 370 км/с и направлена к созвездию Льва. Заметим, что Солнце в своем движении испытывает небольшие возмущения от планет, прежде всего Юпитера, образуя с ним общий гравитационный центр Солнечной системы — барицентр, расположенный в пределах радиуса Солнца. Каждые несколько сотен лет барицентрическое движение переключается от прямого (проградного) к обратому (ретроградному).

* Согласно теории звездной эволюции, менее массивные звезды, чем Т Тельца, также переходят к MS по этому треку.

Солнце сформировалось примерно 4,5 млрд лет назад, когда быстрое сжатие облака молекулярного водорода под действием гравитационных сил привело к образованию в нашей области Галактики переменной звезды первого типа звездного населения — звезды типа T Тельца (T Tauri). После начала в солнечном ядре реакций термоядерного синтеза (превращения водорода в гелий) Солнце перешло на главную последовательность диаграммы Герцшпрунга–Рассела (ГР). Солнце классифицируется как желтая карликовая звезда класса G2V, которая кажется желтой при наблюдении с Земли из-за небольшого избытка желтого света в ее спектре, вызванного рассеянием в атмосфере синих лучей. Римская цифра V в обозначении G2V означает, что Солнце принадлежит главной последовательности ГР-диаграммы. Как предполагают, в самый ранний период эволюции, до момента перехода на главную последовательность, оно находилось на так называемом треке Хаяши, где сжималось и, соответственно, уменьшало светимость при сохранении примерно той же самой температуры*. Следуя эволюционному сценарию, типичному для звезд низкой и средней массы, находящихся на главной последовательности, Солнце прошло примерно половину пути активной стадии своего жизненного цикла (превращения водорода в гелий в реакциях термоядерного синтеза), составляющего в общей сложности примерно 10 млрд лет, и сохранит эту активность в течение последующих приблизительно 5 млрд лет. Солнце ежегодно теряет 10 14 своей массы, а суммарные потери на протяжении всей его жизни составят 0,01%.

По своей природе Солнце — плазменный шар диаметром приблизительно 1,5 млн км. Точные значения его экваториального радиуса и среднего диаметра составляют соответственно 695 500 км и 1 392 000 км. Это на два порядка больше размера Земли и на порядок больше размера Юпитера. […] Солнце вращается вокруг своей оси против часовой стрелки (если смотреть с Северного полюса мира), скорость вращения внешних видимых слоев составляет 7 284 км/час. Сидерический период вращения на экваторе равен 25,38 сут., в то время как период на полюсах намного длиннее — 33,5 сут., т. е. атмосфера на полюсах вращается медленнее, чем на экваторе. Это различие возникает из-за дифференциального вращения, вызванного конвекцией и неравномерным переносом масс из ядра наружу, и связано с перераспределением углового момента. При наблюдении с Земли кажущийся период вращения составляет приблизительно 28 дней. […]

Фигура Солнца почти сферическая, ее сплюснутость незначительная, всего 9 миллионных долей. Это означает, что его полярный радиус меньше экваториального только на ≈10 км. Масса Солнца равна ≈330 000 масс Земли […]. Солнце заключает в себе 99,86% массы всей Солнечной системы. […]

Спустя примерно 1 млрд лет после выхода на Главную последовательность (по оценкам между 3,8 и 2,5 млрд лет тому назад) яркость Солнца увеличилась примерно на 30%. Совершенно очевидно, что с изменением светимости Солнца напрямую связаны проблемы климатической эволюции планет. Особенно это касается Земли, температура на поверхности которой, необходимая для сохранения жидкой воды (и, вероятно, происхождения жизни), могла быть достигнута только за счет более высокого содержания в атмосфере парниковых газов, чтобы компенсировать низкую инсоляцию. Эта проблема носит название «парадокса молодого Солнца». В последующий период яркость Солнца (также как и его радиус) продолжали медленно расти. По существующим оценкам, Солнце становится приблизительно на 10% ярче каждые один миллиард лет. Соответственно, поверхностные температуры планет (включая температуру на Земле) медленно повышаются. Примерно через 3,5 млрд лет от настоящего времени яркость Солнца возрастет на 40%, и к этому времени условия на Земле будут подобны условиям на сегодняшней Венере. […]

К концу своей жизни Солнце перейдет в состояние красного гиганта. Водородное топливо в ядре будет исчерпано, его внешние слои сильно расширятся, а ядро сожмется и нагреется. Водородный синтез продолжится вдоль оболочки, окружающей гелиевое ядро, а сама оболочка будет постоянно расширяться. Будет образовываться все большее количество гелия, и температура ядра будет расти. При достижении в ядре температуры ≈100 миллионов градусов начнется горение гелия с образованием углерода. Это, вероятно, заключительная фаза активности Солнца, поскольку его масса недостаточна для начала более поздних стадий ядерного синтеза с участием более тяжелых элементов — азота и кислорода. Из-за сравнительно небольшой массы жизнь Солнца не окончится взрывом сверхновой звезды. Вместо этого будут происходить интенсивные тепловые пульсации, которые заставят Солнце сбросить внешние оболочки, и из них образуется планетарная туманность. В ходе дальнейшей эволюции образуется очень горячее вырожденное ядро—белый карлик, лишенный собственных источников термоядерной энергии, с очень высокой плотностью вещества, который будет медленно охлаждаться и, как предсказывает теория, через десятки миллиардов лет превратится в невидимый черный карлик. […]

Солнечная активность

Солнце проявляет различные виды активности, его внешний вид постоянно изменяется, как свидетельствуют многочисленные наблюдения с Земли и из космоса. Самым известным и наиболее выраженным является 11-летний цикл солнечной активности, которая ориентировочно соответствует числу солнечных пятен на поверхности Солнца. Протяженность солнечных пятен может достигать в поперечнике десятков тысяч километров. Обычно они существуют в виде пар с противоположной магнитной полярностью, которая чередуется каждый солнечный цикл и достигает пика в максимуме активности вблизи солнечного экватора. Как уже упоминалось, солнечные пятна темнее и холоднее, чем окружающая поверхность фотосферы, потому что они являются областями пониженной энергии конвективного переноса из горячих недр, подавляемого сильными магнитными полями. Полярность магнитного диполя Солнца меняется каждые 11 лет таким образом, что северный магнитный полюс становится южным, и наоборот. Помимо изменения солнечной активности внутри 11-летнего цикла, определенные изменения наблюдаются от цикла к циклу, поэтому выделяют также 22-годичные и более длинные циклы. Нерегулярность цикличности проявляется в виде растянутых периодов минимума солнечной активности с минимальным числом солнечных пятен в течение нескольких циклов, подобно наблюдавшейся в семнадцатом столетии. Этот период известен как Маундеровский минимум, который оказал сильное воздействие на климат Земли. Некоторые ученые полагают, что, в этот период Солнце проходило через 70-летний период активности с почти полным отсутствием солнечных пятен. Напомним, что необычный солнечный минимум был отмечен в 2008 г. Он продолжался намного дольше и с более низким числом солнечных пятен, чем обычно. Это означает, что повторяемость солнечной активности на протяжении десятков и сотен лет является, вообще говоря, неустойчивой. Кроме того, теория предсказывает возможность существования магнитной неустойчивости в ядре Солнца, которая может вызывать колебания активности с периодом в десятки тысяч лет. […]

Наиболее характерными и зрелищными проявлениями солнечной активности являются солнечные вспышки, выбросы корональной массы (CME) и солнечные протонные события (SPE). Степень их активности тесно связана с 11-летним солнечным циклом. Эти явления сопровождаются выбросами огромного количества протонов и электронов высоких энергий, значительно повышая энергию «более спокойных» частиц солнечного ветра. Они оказывают громадное влияние на процессы взаимодействия солнечной плазмы с Землей и другими телами Солнечной системы, в том числе на вариации геомагнитного поля, верхнюю и среднюю атмосферу, явления на земной поверхности. Состояние солнечной активности определяет космическую погоду, которая влияет на нашу природную среду и на жизнь на Земле. […]

По существу вспышка является взрывом, и это грандиозное явление проявляется как мгновенное и интенсивное изменение яркости в активной области на поверхности Солнца. […] выделение энергии мощной солнечной вспышки может достигать […] ⅙ энергии, выделяемой Солнцем в секунду, или 160 млрд мегатонн в тротиловом эквиваленте. Примерно половину этой энергии составляет кинетическая энергия корональной плазмы, а другую половину — жесткое электромагнитное излучение и потоки высокоэнергичных заряженных частиц.

«Примерно через 3,5 млрд лет яркость Солнца возрастет на 40%, и к этому времени условия на Земле будут подобны условиям на сегодняшней Венере»

Вспышка может продолжаться около 200 минут, сопровождаясь сильными изменениями интенсивности рентгеновского излучения и мощным ускорением электронов и протонов, скорость которых приближается к скорости света. В отличие от солнечного ветра, частицы которого распространяются до Земли более суток, частицы, генерируемые во время вспышек, достигают Земли за десятки минут, сильно возмущая космическую погоду. Эта радиация чрезвычайно опасна для космонавтов, даже находящихся на околоземных орбитах, не говоря уже о межпланетных перелетах.

Еще более грандиозными являются выбросы корональной массы, представляющие собой наиболее мощное явление в Солнечной системе. Они возникают в короне в виде взрывов огромных объемов солнечной плазмы, вызываемых пересоединением силовых линий магнитного поля, в результате чего происходит выделение огромной энергии. Некоторые из них связаны с солнечными вспышками или имеют отношение к солнечным протуберанцам, извергаемым с солнечной поверхности и удерживаемым магнитными полями. Выбросы корональной массы случаются периодически и состоят из очень энергичных частиц. Сгустки плазмы, образующие гигантские плазменные пузыри, расширяющиеся наружу, выбрасываются в космическое пространство. Они заключают в себе миллиарды тонн материи, распространяющейся в межпланетной среде со скоростью ≈1000 км/с и образующей на фронте отошедшую ударную волну. Выбросы корональной массы ответственны за мощные магнитные бури на Земле. […] С корональными выбросами еще больше, чем с солнечными вспышками, связан приток высокоэнергичной проникающей радиации. […]

Взаимодействие солнечной плазмы с планетами и малыми телами оказывает на них сильное влияние, прежде всего на верхнюю атмосферу и магнитосферу—собственную или индуцированную, в зависимости от того, обладает ли планета магнитным полем. Такое взаимодействие называют солнечно-планетными (для Земли—солнечно-земными) связями, существенно зависящими от фазы 11-летнего цикла и других проявлений солнечной активности. Они приводят к изменениям формы и размеров магнитосферы, возникновению магнитных бурь, вариациям параметров верхней атмосферы, росту уровня радиационной опасности. Так, температура верхней атмосферы Земли в диапазоне высот 200–1000 км возрастет в несколько раз, от ≈400 до ≈1500K, а плотность изменяется на один–два порядка величины. Это сильно влияет на время жизни искусственных спутников и орбитальных станций. […]

Наиболее зрелищным проявлением воздействия солнечной активности на Землю и другие планеты с магнитным полем являются полярные сияния, наблюдаемые на высоких широтах. На Земле возмущения на Солнце приводят также к нарушению радиосвязи, воздействию на высоковольтные линии электропередач (блэкауты), подземные кабели и трубопроводы, работу радиолокационных станций, а также повреждают электронику космических аппаратов.