Сонце як зоря: енергія, будова та атмосфера. Реферат

Вступ

Сонце — найближча до Землі зоря спектрального класу G2 V, яка формує архітектуру всієї Сонячної системи. Його гравітаційне поле утримує планети на орбітах, а електромагнітне випромінювання підтримує температуру, необхідну для існування води та біосфери. Попри очевидну важливість світила для життя, лише у XX ст. вдалося остаточно з’ясувати механізм його енерговиділення та внутрішню будову. У сучасній астрофізиці Сонце виконує роль лабораторії під відкритим небом: завдяки близькості до нього можна досліджувати фізику плазми, магнітну гідродинаміку та термоядерні процеси з точністю, недосяжною для далеких зір.

Метою даного реферату є поглиблений огляд енергетичних, структурних і атмосферних характеристик Сонця, аналіз проявів його активності й оцінка впливу на земне середовище. Розширене висвітлення теми включає історичний контекст, експериментальні методи спостереження та міждисциплінарні аспекти, що забезпечує подвоєний обсяг порівняно з базовим викладом.

---

Енергетичні резерви Сонця

Історичні уявлення про джерело енергії

До кінця XIX ст. науковці пропонували дві гіпотези: гравітаційне стискання (Г. Гельмгольц, 1854) та хімічне горіння. Проте розрахунки показали, що потенційної енергії стисненого газово-рідкого тіла вистачило б лише на 20–30 млн років, а хімічних реакцій — на кілька тисячоліть, що суперечило геологічному віку Землі. Лише відкриття радіоактивності (1896) та теорії відносності (1905) підготували ґрунт для ідеї перетворення маси на енергію. Остаточно джерелом стала модель протон-протонного циклу Г. Бете (1939), підтверджена експериментальною детекцією сонячних нейтрино (1960-ті).

Вимірювання сонячної сталої та світності

Сонячна стала S = 1,361 ± 0,003 кВт/м² вимірюється радіометрами на супутниках (проєкти ACRIM, SOHO/VIRGO, SORCE/TIM). З урахуванням інверсного квадрата відстані й площі сфери радіуса 1 а. о., отримують світність L☉ ≈ 3,846 × 10²⁶ Вт. Для порівняння: вибух усіх ядерних боєзарядів Землі дає ≈ 10¹⁷ Дж — стільки Сонце випромінює за 3 с. Світність коливається в межах 0,1 % протягом 11-річного циклу — факт, який має значення для кліматичних моделей.

---

Внутрішня будова Сонця

Ядро: термоядерний реактор

• Радіус: 0–0,3 R☉; T_c ≈ 1,5 × 10⁷ К; ρ_c ≈ 1,5 × 10⁵ кг/м³.
  
• Реакції:
  1. p+p→d+e++νep + p → d + e^{+} + ν_{e}p+p→d+e++νe​
  2. d+p→3He+γd + p → {}^{3}He + γd+p→3He+γ
  3. 3He+3He→4He+2p^{3}He + ^{3}He → ^{4}He + 2p3He+3He→4He+2p
     
• Енерговиділення: 26,7 МеВ на цикл; ККД за масою — 0,7 %.
  
• Нейтрино проникають назовні безперешкодно; їхня реєстрація (детектор «Super-Kamiokande», Японія) підтвердила нейтринні осциляції, розв’язавши «сонячну нейтринну проблему».

Промениста зона: фотонний «корок»

Фотони, утворені в ядрі, проходять шлях ~10⁵ км з дифузійним часом 170–200 тис. років. Температура спадає від 7 млн до 2 млн К; опакість визначається ефектами Комптона та вільно-вільних переходів.

Конвективна зона та грануляція

Критерій Шварцшильда показує, що при градієнті температури > градієнта адіабатичного шар нестабільний: піднімаються «бульбашки» плазми діаметром 500–1500 км. Спостережна грануляція має час життя 5–20 хв. Надгрануляція (30 000 км) і супер-грануляція (100 000 км) виявлені спектрографічно.

Гравітаційна рівновага й геліосейсмологія

Парадокс «сонячного колапсу» розв’язується рівнянням стану ідеальної плазми в полі тяжіння; профілі температури та густини перевірено методом геліосейсмології: аналіз коливань p-мод (тиск) і g-мод (гравітаційні хвилі) за даними місії SOHO (прилад GOLF) з точністю 1–2 %. Це дозволило уточнити хімічний склад (X = 0,71, Y = 0,27, Z = 0,02) і обертання радіус-залежне (диференціальне).

---

Сонячна атмосфера

Шар	Висота, км	T, К	Густина, кг/м³	Основні явища
Фотосфера	0–500	4500–6500	10⁻⁴–10⁻⁵	Грануляція, плями, факели
Хромосфера	500–2500	4500 → 80 000	10⁻⁶–10⁻⁸	Спікули, флокули, спалахи
Перехідна зона	2500–10 000	80 000 → 1 млн	10⁻⁹–10⁻¹¹	Струмені, мікроспалахи
Корона	>10 000	1–2 млн (до 5 млн у петлях)	10⁻¹²–10⁻¹⁵	Протуберанці, CME, сонячний вітер

Фотосфера: вікно у внутрішні шари

Формує безперервний спектр і фраунгоферові лінії понад 25 000 позицій. Потемнення краю вимірюється поляриметрами та використовується для калібрування моделей атмосфери.

Хромосфера: динамічна «прикордонна» зона

Озброєні фільтрами на лінії H-α (656,28 нм) астрономи реєструють спікули — струмені плазми висотою до 10 000 км, що живлять корону масою ~10¹⁰ кг/с.

Корона: загадка мільйонних температур

Проблема коронального нагріву пояснюється хвильовим (альвенівські хвилі) та реконекційним механізмами. Дані зондів Parker Solar Probe (2018-2025) показали критичний перехід Альвена на відстані 20 R☉.

Сонячний вітер і геліосфера

Існують повільний вітер (≈ 400 км/с, джерело — екваторіальні корональні шлейфи) і швидкий (≈ 750 км/с, відкриті польові лінії у корональних дірах). Тиск сонячного вітру врівноважується міжзоряним середовищем на геліопаузі (≈ 120 а. о.; місії Voyager-1/2).

---

Сонячна магнітна активність

Сонячний динамо-механізм

Диференціальне обертання + меридіональна циркуляція + турбулентна конвекція → αΩ-динамo. Магнітні поля регенеруються, полярність змінюється кожні 22 роки.

Плями, факели та протуберанці

Плями мають магнітні петлі, що пригнічують конвекцію; факели — регіони підвищеного потоку; протуберанці утримуються власними магнітними арками й можуть існувати тижнями.

Спалахи й корональні викиди маси

За GOES-класифікацією (A, B, C, M, X) енергія спалахів сягає 10³² ерг. CME переносять до 10¹³ кг плазми; фронтальна швидкість 200–3000 км/с. Взаємодія з магнітосферою унормовується індексом Dst.

11-річний цикл та довгострокові мінімальні фази

Нинішній 25-й цикл (початок — 2019 р.) прогнозується середньої інтенсивності, але моделі (NOAA, IPS) вказують на можливе посилення спалахової активності у 2025–2026 рр. У минулому фіксовано Мінімум Маундера (1645–1715) і Мінімум Дальтона (1790-ті), що корелювали з глобальними похолоданнями.

---

Сонячно-земні зв’язки

Магнітні бурі та радіаційні пояси

Критерій Kp≥5 означає помірну бурю; GIC-струми в лініях електропередач 𝐼 ~ 100 А можуть спричинити трансформаторні аварії (Канада, 1989; Швеція, 2003).

Полярні сяйва та іоносферні збурення

Надходження енергії > 10¹⁵ Дж у полярну термосферу зумовлює полярні сяйва до широти 40°. Іоносферні «дірки» порушують GPS-навігацію, спричиняють втрати зв’язку на авіалініях високих широт.

Кліматичні й біосоціальні кореляції

Сучасні ГСМС-моделі (CMIP6) враховують варіації TSI та спектрального складу ультрафіолету; коливання 0,1 % TSI дає ≈ 0,07 °С на глобальній шкалі. Біологи фіксують статистичну (але не причинно-наслідкову) кореляцію між сонячними циклами та епіфітотіями, епідеміями грипу.

Космічна погода: сучасні системи прогнозу

Мережа DSCOVR, ACE, SDO, SOHO, «Електро-Л» забезпечує попередження про CME за 15–60 хв. Алгоритми машинного навчання (NOAA SWPC) аналізують магнітограми HMI/SDO у реальному часі.

---

Майбутнє Сонця та перспективи сонячної енергетики

Через 5 млрд років Сонце вичерпає протон-протонне паливо, перетвориться на червоного гіганта, поглинувши, ймовірно, Меркурій та Венеру. Нині ж людство активно освоює сонячну енергетику: КПД кремнієвих елементів сягнув 26 %, перовськіт-кремнієвих тандемів — 33 %. Фотоелектричні системи на орбіті (проєкт SPS-ALPHA) розглядають як шлях отримання безперервної енергії з коефіцієнтом заповнення 99 %.

---

Висновки

Подвійно розширений аналіз підтверджує, що Сонце є надзвичайно стабільним, але динамічним об’єктом. Розвиток геліофізики спирається на синергію наземних телескопів, космічних апаратів та чисельного моделювання. Знання про будову й активність Сонця не лише задовольняють фундаментальну цікавість, а й мають прикладне значення: від захисту технологічної інфраструктури до підвищення ефективності відновлюваної енергетики.

---

Список використаної літератури

1. Бєляєв О. М. Фізика Сонця. — Х.: Ранок, 2019.
2. Phillips K. J. H. Guide to the Sun. — Cambridge University Press, 2020.
3. Aschwanden M. J. Self-Organized Criticality in Astrophysics. — Springer, 2019.
4. NASA/ESA. SOHO, SDO, Parker Solar Probe Mission Data Archives (1996-2025) — https://soho.nascom.nasa.gov/
5. NOAA SWPC. Space Weather Quarterly Reports (2023-2025).
6. Zhang Q. et al. «Prediction of Solar Flares with Deep Neural Networks», Astrophysical Journal, 2024.
7. Український гідрометеоцентр. Бюлетені космічної погоди (2023-2025).