Считается, что Солнцу 4,8 [Лейбахер и др., 1985] или 4,6 миллиардов лет [Молодое Солнце..., 2002]. Оно возникло чуть раньше или в одно и то же время с планетами Солнечной системы из общего газопылевого облака. Солнце - звезда второго звёздного поколения Нашей Галактики, и образовавшее его облако возникло из вещества, выброшенного взорвавшимися звёздами первого поколения (т.е. это вещество сверхновых звёзд, удержанное полем тяготения Нашей Галактики). При взрыве сверхновых звёзд в окружающую среду выбрасывается какое-то количество тяжёлых элементов, и поэтому такие элементы есть в Солнечной системе, хотя всё равно преобладают лёгкие элементы - водород, гелий. т.к. тяжёлые элементы необходимы для жизни, иногда образно говорят, что все мы - дети взорвавшихся звёзд (жизнь не могла возникнуть вблизи звёзд первого поколения).
Предполагаемый начальный состав Солнца - 73% водорода и 25% гелия, т.е. примерно то же соотношение, что и при Большом Взрыве, породившем Нашу Вселенную, но с присутствием тяжёлых элементов [Что ожидает Солнце и Землю? 1994]. Раньше Солнце вращалось вокруг своей оси быстрее, чем сейчас [Кацова, Лившиц, 1998].
В дальнейшем водород в солнечном ядре начал выгорать и превращаться в гелий. Потоки света и солнечной плазмы (ионизированного вещества) потекли от Солнца во все стороны, и масса Солнца стала медленно уменьшаться. Количество гелия в ядре стало расти, и более тяжёлое и компактное ядро увеличило свою температуру и усилило термоядерные реакции. В результате этого Солнце стало светить чуть ярче и продолжает непрерывно увеличивать светимость. При этом вращение Солнца вокруг оси чуть замедлилось: энергия пошла на образование короны и поддержание активных процессов в ней (солнечный ветер уносит вмороженные в него магнитные поля, которые до какой-то высоты вращаются вместе с Солнцем, а потом тормозятся, закручиваются вокруг Солнца и тормозят его, взаимодействуя с магнитными полями под поверхностью звезды) [Кацова, Лившиц, 1998]. Торможение звезды звёздным ветром приводит к уменьшению конвективных потоков и уменьшению поверхностной активности звезды, но не влияет на общую активность.
На стадии протозвезды Солнце было на 500 градусов Кельвина горячее и в 4 раза ярче, чем сейчас, но тогда оно светилось за счёт падения остатков родительского молекулярного облака, и этот период продолжался всего несколько миллионов лет [Молодое Солнце..., 2002]. Потом падение газа закончилось, и светимость резко упала. К настоящему моменту светимость Нашей Звезды опять возросла, но пока только на 30%, а масса несколько уменьшилась [Что ожидает Солнце и Землю? 1994]. Это привело к некоторым изменениям в Солнечной системе. Из-за уменьшения солнечной массы планеты чуть-чуть отодвинулись от Солнца, но, по-видимому, всё равно стали получать чуть-чуть больше света.
Водородного топлива Солнцу хватит ещё на 5 миллиардов лет [Вселенная, 1999]. При этом будут происходить хорошо предсказуемые события [Что ожидает Солнце и Землю? 1994].
Через 1,1 миллиарда лет светимость Солнца возрастёт ещё на 10%.
Через 3,5 миллиардов - на 40%. Земля тогда, возможно, станет похожа на Венеру: водяной пар в верхних слоях атмосферы разложится под действием света на кислород и водород, лёгкий водород улетит в космос, вода исчезнет и перестанет с дождями вымывать углекислый газ из атмосферы, он накопится и вызовет катастрофическое нагревание поверхности планеты за счёт парникового эффекта. Зато в это время могут возникнуть благоприятные условия для жизни на Марсе (растает вечная мерзлота, наполнится водой океан Бореалис и т.д.).
Следующие 6,4 миллиарда лет водород на Солнце будет выгорать в оболочке гелиевого ядра. Звезда расширится до нескольких десятков солнц, охладится, станет красным гигантом. Светимость при этом возрастёт [Соукер, 1992].
Потом температура в увеличившемся гелиевом ядре возрастёт до такой степени, что "загорится" гелий (с образованием кислорода и углерода) [Соукер, 1992]. [Ядро при этом расширится, расширится слой водорода непосредственно над ядром, а потому, наверное, термоядерная реакция в слое над ядром прекратится, что приведёт к общему сжатию внеядерной части звезды - Ю.Н.]. Внешние области чуть сожмутся и поголубеют [Соукер, 1992]. Солнце при этом увеличит светимость ещё в 2 раза.
В течение 1,3 миллиардов лет оно станет медленно расширяться и увеличит диаметр в 170 раз [Что ожидает Солнце и Землю? 1994], станет оранжевым или даже красным гигантом [Кейлер, 1992]. При этом поглотится Меркурий.
Земли это расширение не достигнет. Кроме того, от Солнца к этому времени останется только 72,5% современной массы, и Земля отодвинется.
Наступит стабильная пауза длительностью в 110 миллионов лет, которая сменится дальнейшим быстрым расширением Солнца в течение 20 миллионов лет. Тогда Солнце достигнет современной орбиты Земли и увеличит светимость в 5200 раз. Но масса Солнца составит только 59% современной, и Земля отодвинется аж к современному Марсу и уцелеет. Впрочем, температура на Земле достигнет 1600 градусов Цельсия, и это будет жидкая расплавленная планета.
Когда гелий в ядре выгорит, ядро сожмётся, загорится гелий в оболочке ядра, звезда превратится в многослойную "луковицу". Её внешние слои начнут быстро расширяться, и в какой-то момент солнечный ветер сдует оболочку Солнца. Из этой оболочки возникнет сначала невидимая протопланетарная туманность, т.к. при температуре менее 1000 градусов Кельвина образуется много пыли, которая затмевает звезду. Потом, при дальнейшем разряжении околозвёздного вещества, образуется так называемая планетарная туманность. Такие туманности есть вокруг некоторых выгоревших звёзд, и раньше считали, что из них образуются планеты, а на самом деле это "последние выдохи умирающих звёзд" [Соукер, 1992]. В центре Солнечной системы, вместо огромного красного гигантского Солнца, останется сжавшийся белый карлик с массой примерно 0,6 от современной и очень маленькой светимостью (за счёт энергии постепенного сжатия). Через 50 тысяч лет туманность рассеется [Кейлер, 1992]. Остатки Солнечной системы погрузятся в холод и мрак. Наступит безжизненная стабильность. Впрочем, с учётом начавшегося взрывообразного развития разума любые прогнозы на столь долгое время должны оказаться ошибочными.
Солнце, если никто не вмешается в его судьбу, вернёт в межзвёздную среду примерно половину своего вещества, а остальное "законсервируется" в виде белого карлика.
Каждый понимает, что жизнь на планете Земля невозможно представить без главного источника света, сияющего в небе, - Солнца. Именно благодаря ему планеты вращаются по своей оси. Именно благодаря Солнцу и появилась жизнь на Земле.
С давних времен люди задумываются над вопросом: что будет, если погаснет Солнце? Ученые выдвигают свои версии, кинорежиссеры неоднократно снимают фильмы на эту тему. Что же будет с человечеством, да и всем живым миром на Земле?
Почему Солнце может погаснуть?
Мощность излучения, которое падает от Солнца на Землю, приравнивается к 170 триллионам кВт. Помимо этого, в космос рассеивается энергии еще в 2 миллиарда раз больше. Теория относительности гласит: расход энергии сказывается на потере массы.
Ежеминутно Солнце теряет в весе 240 миллионов тонн. Ученые рассчитали, что продолжительность жизни Солнца составляет 10 миллиардов лет.
Так сколько же еще времени осталось? Ученые предполагают, что ровно половина отведенного срока, то есть 5 миллиардов лет.
Что же потом? И если Солнце погаснет, что будет с Землей? Касательно этого глобального вопроса существует много мнений и споров. Ниже приведены лишь некоторые из них.
Вечная темнота
Если в абсолютно изолированной комнате погасить источник света, то наступит полный мрак. А что будет, если погаснет Солнце? То же самое.
На первый взгляд для человечества это не совсем опасно. Ведь люди изобрели другие источники света. Но надолго ли их хватит? А вот прекращение потока солнечных лучей пагубно отразится на растениях. И буквально через неделю они все погибнут. Как следствие, прекратится фотосинтез и процесс выработки кислорода на Земле.
Потеря гравитации
Солнце является своего рода магнитом. Благодаря его притяжению восемь планет солнечной системы движутся не хаотично, а строго по осям вокруг центра. А что произойдет, если Солнце неожиданно погаснет? Все они, утратив силу притяжения, начнут произвольно путешествовать по бескрайним просторам галактики.
Для Земли это, скорее всего, может привести к трагическим последствиям. Ведь столкновение даже с небольшим космическим объектом, не говоря уже о другой планете, может ее попросту разорвать на части. Значит ли это, что, если погаснет Солнце, Земля погибнет? Но среди ученых есть и оптимисты, которые утверждают, что земля может выжить. Но такой вариант возможен в том случае, если она попадет в Млечный Путь, где найдет себе новую звезду и, соответственно, новую орбиту.
Прекращение жизни
Как уже отмечалось, жизнь невозможно представить без солнечного света и тепла. Так что произойдет, если Солнце погаснет? Первыми пострадают растения. Они исчезнут буквально в течение первой недели. Лишь большие деревья благодаря запасам сахарозы смогут существовать еще некоторое время. Затем, утратив источник пропитания, погибнут сначала травоядные животные, а затем и хищники. Помимо этого, исчезновение растений прекратит выработку кислорода, что еще больше ускорит вымирание живых организмов на Земле. Преимущество имеют обитатели глубин океана. Во-первых, они не нуждаются в свете, ведь привыкли к постоянному мраку. Во-вторых, они менее зависимы от кислорода, так как им нет необходимости всплывать на поверхность, как делают большинство видов рыб.
Но полностью жизнь на земле не умрет. Истории известны случаи выживания некоторых видов (например, тараканы) даже после самых глобальных перемен. Часть микроорганизмов продолжат свое существование на протяжении многих сотен или даже тысяч лет. Возможно, в будущем они станут началом новой жизни на земле.
Туманное будущее для человека
Уже не раз доказано, что люди приспосабливаются к разным условиям. А что будет, если погаснет Солнце? Эволюционировав, человечество научилось создавать другие источники света. На некоторое время их будет вполне достаточно.
Помимо этого, можно использовать энергию земли, в том числе вулканов. Уже сейчас жители Исландии используют для обогрева своих домов. Да и без источников пропитания человек может выжить. Во-первых, из-за своей выносливости. Во-вторых, благодаря тому, что научился сам создавать пищу.
Как известно из истории, Земля уже переживала ледниковые периоды. Но они не идут ни в какое сравнение с тем, который наступит после того, как погаснет Солнце. По теории ученых, буквально за неделю температура во всех уголках земного шара опустится до минус 17 градусов по Цельсию. Через год она опустится до отметки в минус 40. Первоначально льдом покроется суша, особенно те участки, которые расположены далеко от воды.
Затем ледяная шапка покроет все моря и океаны. Однако лед будет в некотором смысле утеплителем для воды на глубине, поэтому моря и океаны полностью превратятся в лед лишь спустя сотни тысяч лет.
Так неужели все так печально, человечество обречено?
На этот вопрос достаточно сложно дать положительный либо отрицательный ответ. Однозначно лишь то, что жизнь кардинально изменится. Если Земле повезет не столкнуться с космическим телом и она останется в целости и сохранности, это не значит, что ее обитатели выживут. Растения и животные со временем прекратят свое существование. А как же люди? Им придется приспосабливаться к новым условиям: полной темноте, отсутствию натуральной пищи, постоянному холоду. К этому еще можно привыкнуть. А вот из-за отсутствия в воздухе кислорода будущее человечества под угрозой. Спасет лишь создание альтернативных его источников.
Так что будет, если погаснет Солнце? Всю солнечную систему ждут кардинальные изменения. Радует лишь одно: наступят они, скорее всего, только через 5 миллиардов лет.
Один из вопросов, который почти всегда звучит на лекциях по астрономии: когда взорвется Солнце? Точный ответ на него, конечно, дать невозможно. Но что в конце концов произойдет с нашим светилом и Солнечной системой, можно предугадать.
КОСМИЧЕСКАЯ «КОЛЫБЕЛЬ»
Звезды, как и люди, рождаются, живут и умирают. И если рождаются они примерно одинаковым образом, то свой жизненный путь проходят и умирают совершенно по-разному.
Многие современные астрофизические теории сходятся в том, что звезды рождаются из газо-пылевых облаков. Такое облако, называемое «звездной колыбелью», очень большое, в десятки тысяч раз больше нашей Солнечной системы, и очень массивное, в миллионы солнечных масс.
«Звездная колыбель» может миллиарды лет неспешно вращаться вокруг какой-нибудь галактики, пока не произойдет необходимое для начала «родовой деятельности» происшествие. Это может быть столкновение с другой «колыбелью», прохождение через плотный рукав спиральной галактики или ударная волна от взрыва расположенной поблизости сверхновой.
И вот тогда в «звездной колыбели» происходит гравитационный коллапс, то есть стремительное сжатие. Газо-пылевое облако распадается на сгустки, часть которых сохранит облачную структуру, но некоторые, самые «маленькие», массой меньше 100 солнечных, смогут сформировать звезду.
Газ в маленьких сгустках нагревается по мере сжатия и превращается в плотную, вращающуюся вокруг своей оси сферическую протозвезду. Это потрясающе красивый процесс.
Превратится ли протозвезда в звезду, зависит от того, насколько высокой станет температура в ее ядре. Если температура достигнет примерно десяти миллионов градусов, в ядре начнется термоядерный синтез - превращение водорода в гелий. Внутри новорожденной звезды установится гидростатическое равновесие, дальнейшее сжатие прекратится. Звезда станет стабильной и начнет светиться.
Со временем вокруг звезды смогут образоваться планеты, а на планетах может зародиться жизнь.
Но порой бывает и совсем иначе. Иногда появляются и так называемые «мертворожденные» звезды. Если температура в ядре «не дотягивает» до термоядерного синтеза, звезда становится коричневым карликом и очень быстро, за какие-то десятки миллионов лет, умирает. Гаснет, так и не успев по-настоящему разгореться. К счастью, наше Солнце относится к первой группе, и ему суждена долгая (хотя и не бесконечно долгая) звездная жизнь.
Даже небольшие, по космическим меркам, всплески солнечной активности способны вызывать на Земле магнитные бури и даже выводить из строя технику
«ИНЖЕНЕР» В ГЛУБИНКЕ?
Астрофизики оценивают возраст Солнца в пять миллиардов лет. По аналогии с человеческой жизнью, Солнце уже вышло из поры юности, но и до старости ему еще очень далеко. Самая что ни на есть трудовая пора.
Вот наше светило и трудится не щадя сил, превращая водород в гелий и за счет этого освещая и обогревая мировое пространство и нас с вами.
Надо сказать, что в мировой «звездной иерархии» Солнце занимает положение весьма среднее и по массе своей, и по светимости, и по местоположению. Снова прибегая к человеческой аналогии, можно сказать, что оно работает рядовым инженером на небольшом предприятии где-то в российской глубинке.
(Кстати, насчет глубинки: это довольно точная аналогия, так как Солнечная система располагается между двумя спиральными рукавами галактики Млечный Путь на весьма значительном расстоянии от ее центра - 32 660 световых лет.)
«Звездная иерархия» для астрофизиков - это диаграмма Герцшпрунга - Рассела, устанавливающая зависимость яркости (светимости) звезды от ее цвета и температуры поверхности.
По ней Солнце находится примерно посередине «главной последовательности», на которой располагается большинство известных нам звезд. Обычное, рядовое светило спектрального класса G, не совсем карлик, но и никак уж не гигант.
ПЯТНА НА ЛИЦЕ СВЕТИЛА
Пять миллиардов лет термоядерного синтеза привели к тому, что примерно 40% водорода в недрах Солнца уже превратилось в гелий. Поверхность Солнца медленно, но верно остывает (сейчас температура поверхности составляет около шести тысяч градусов, что в тысячу раз меньше температуры его ядра и в тысячу раз больше температуры самых жарких уголков Земли).
Подобно тому, как кожа на лице человека с возрастом покрывается морщинами, «лицо» Солнца покрывается пятнами. Природа пятен до конца не изучена, предполагается, что это зоны с относительно низкой температурой в фотосфере Солнца и собственными магнитными полями.
Что же произойдет с Солнцем и, соответственно, с Солнечной системой, когда в его недрах выгорит весь водород? Окончит оно свои дни в черном космическом холоде или, наоборот, во вспышке ярчайшего, невообразимого пламени? И, самое главное для нас, ныне живущих, - когда это может произойти?
СТАРОСТЬ И СМЕРТЬ
Успокоим читателя - согласно всем серьезным астрофизическим теориям, произойдет это очень и очень нескоро. За сотни миллионов, а может, и миллиарды лет, отделяющих нас от этого печального момента, человечество, без сомнения, найдет способ спастись. Поэтому все вышеперечисленные вопросы о дальнейшей судьбе Солнца имеют для нас сугубо теоретический, хотя и немалый интерес.
Рассмотрим самые популярные среди астрофизиков сценарии «конца света».
Через миллиард-другой лет Солнце начнет «стареть». Главного термоядерного «топлива» - водорода - в ядре будет оставаться все меньше и меньше, и Солнце из-за нарушения гидростатического равновесия будет сначала увеличиваться в размерах. Из рядового желтого светила оно превратится в красного гиганта размером с орбиту Меркурия.
ЧТО ЖДЕТ ПЛАНЕТЫ
Близкие к Солнцу планеты - Венера, Земля, Марс - превратятся в безводные и безжизненные каменные сферы. Языки солнечной короны будут непрерывно лизать поверхность опустевшей Земли, а ее плазма - тормозить ее вращение, превращая круговую орбиту в спираль.
Возможно, Земля в конце концов упадет на Солнце, возможно - нет, потому что красные гиганты живут очень недолго, всего-навсего каких-то 100-200 миллионов лет. Именно за это время последние атомы водорода превратятся в гелий, термоядерный цикл завершится, покрасневшее, раздувшееся Солнце начнет стремительно сдуваться, падать внутрь себя.
Гравитационный коллапс происходит очень быстро, и меньше чем через несколько месяцев по нашему времяисчислению Солнце превратится в крошечного, размером с Землю, но исключительно яркого из-за своего стремительного сжатия белого карлика.
А еще через сотню миллионов лет белый карлик остынет и станет карликом черныдо, сверхплотным и окончательно «мертвым» космическим объектом, лишь своей массой и гравитацией напоминающим прежнее лучезарное светило.
ДРУГОЙ СЦЕНАРИЙ
Однако все может случиться и по-другому. Как человек иногда умирает до срока от болезни или несчастного случая, так и наше Солнце может не дожить до отмеренного ему возрастного рубежа. Такой трагической случайностью для звезды может стать превращение ее в сверхновую.
Превращение Солнца в сверхновую звезду не слишком вероятно из-за его относительно небольших размеров, но возможно.
Дело в том, что, кроме превращения водорода в гелий, в недрах звезды могут происходить и другие термоядерные реакции. Когда (и если!) накопленная масса гелиевого ядра становится слишком большой, ядро не выдерживает собственного веса и начинает сжиматься, возрастающая при этом температура может вызвать превращение гелия в углерод, углерода - в кислород, кислорода - в кремний, наконец, кремния - в железо.
Естественно, при этом выделяется невероятное, колоссальное количество энергии.
Солнечная активность
Подобно раковой опухоли, внутри звезды появляется и разрастается новое, железное ядро. Оно будет расти до тех пор, пока все увеличивающаяся гравитация не сломает структуру составляющих его атомов. Электронные оболочки атомов «рухнут» на их ядра, превращая их из протонных в нейтронные.
В миллионы раз уменьшится в размерах и само ядро звезды, между ним и внешними оболочками звезды появится вакуумная прослойка, в которую и упадут эти самые внешние оболочки, разогреваясь до огромной температуры.
Вот только падать будет особенно некуда, потому что нейтронное ядро отразит внешние слои, как ракетка опытного теннисиста - летящий мячик. И тогда отраженные оболочки взорвутся, а звезда превратится в сверхновую звезду.
Если это произойдет с нашим Солнцем, то на протяжении нескольких месяцев оно будет каждую секунду выбрасывать в окружающее пространство столько лучистой энергии, сколько раньше давало за 10 тысяч лет.
И разумные существа, находящиеся на безопасном расстоянии от переставшей существовать Солнечной системы, где-нибудь в туманности Андромеды, будут с интересом наблюдать за новым, украсившим их ночное небо ярко светящимся звездным объектом, указывая друг другу на него пальцами. Или щупальцами.
Впрочем, вполне вероятно, что это будут не просто разумные, но чуждые нам существа, а наши с вами потомки. Потому что и в маловероятном случае превращения Солнца в сверхновую звезду у них будут по меньше мере десятки миллионов лет (а это немало для эволюции!), чтобы подыскать себе подходящие новые миры и добраться до них.
ОНО РАСТВОРИТСЯ?
Недавно ученые выдвинули еще несколько оригинальных гипотез того, как может погибнуть наше светило.
Они утверждают, что ни взрыва сверхновой звезды, ни «обычного остывания» Солнца не будет. Со временем светило будет сбрасывать старую и ставшую ему ненужной газовую оболочку, как змея - кожу.
В конце концов оно превратится в светящееся облако планетарного тумана, которое будет остывать несколько тысяч лет, а со временем просто растворится в космическом пространстве. Планеты Солнечной системы, оставшись без светила, станут непригодными для жизни.
Правда, астрономы так и не могли озвучить, почему Солнце должна ждать иная участь, нежели любые другие светила, которые проходят полный жизненный цикл.
Ну и не будем забывать, что апокалиптические предсказания делались во все времена. Причем озвучивали их весьма серьезные люди. Ближайшая дата гибели Солнца - 2060 год. Ее математическим путем вычислил знаменитый Исаак Ньютон. "
Зимой 2017 года ученые с помощью телескопа «Хаббл» зафиксировали на фото процесс образования туманности в результате смерти звезды, похожей на Солнце.
Кстати, даже сейчас, когда до апокалипсиса еще очень далеко, вполне мирное Солнце порой оказывает весьма негативное влияние на все живое на Земле.
Так, норвежские исследователи, начавшие свои изыскания около десяти лет назад, обработали данные приходских книг в районе Тронхейма в период с 1750 по 1900 год. Исследователи сопоставляли данные о продолжительности жизни людей с фазами солнечной активности и пришли к поистине сенсационным выводам.
Люди, появившиеся на свет во время пика солнечной активности, в среднем (без учета несчастных случаев и болезней) жили на 5,2 года меньше, чем те, кто был рожден в годы минимальной активности светила. В сезон солнечного максимума также наблюдалась повышенная детская смертность. Кроме того, в эти годы снижалась рождаемость, а также появлялось на свет больше девочек, которые позже оказывались бесплодными.
Увы, атмосфера не в состоянии полностью поглотить радиацию в период пиков активности. Именно ею обусловлено снижение продолжительности жизни людей, родившихся во время солнечного максимума.
Продолжительность солнечных циклов составляет 9-14 лет. Во время пика активности на поверхности светила бушуют бури, происходят гигантские выбросы плазмы, а астрономы наблюдают темные пятна и вспышки. Наиболее сильным в истории наблюдений принято считать солнечный максимум 1859 года.
Небо на протяжении нескольких недель полыхало, а северное сияние можно было наблюдать даже там, где его никогда раньше не видели. Стоит ли говорить, что именно в 1859 году, согласно исследованиям норвежских ученых, в районе Тронхейма родилось максимальное число людей, проживших очень короткую жизнь, а также бесплодных женщин.
Ольга СТРОГОВА, журнал "Космос. Загадки вселенной", спецвыпуск №15, 2017
Каждому интересно узнать, что же происходило и, главное, будет с нашей планетой Землей. Но ее судьба тесно связана с Солнцем.
Рассмотрим сначала, каково было наше прошлое.
В 1944-49 гг. – О.Ю. Шмидт предлагает следующий сценарий образования Солнечной системы: Солнце и планеты образовались из единого газо-пылевого комплекса массой примерно 10 5 масс Солнца около 5 млрд. лет назад. Сначала образовалось Солнце, а затем около 4.6 млрд. лет назад - планеты.
Как считают сейчас учёные, Солнце и другие звёзды образуются из газо-пылевых облаков в результате небольшого гравитационного сжатия, при котором образуется небольшое уплотнение, к которому притягивается окружающий газ. Сжимаясь, эта протозвезда разогревается, пока в ней не начинаются термоядерные реакции. После этого звезда выдувает своим излучением вокруг себя газ, остатки которого вращаются в окружающем ёё газо-пылевом диске.
При вращении диска вокруг Солнца твердые породы слипались и образовывали планеты земной группы, а легкие элементы выносились солнечным излучением на периферию и из них сформировались планеты-гиганты.
После этого Солнце выходит на главную последовательность и находится в относительно стабильном состоянии, пока не выгорят запасы водорода в ядре.
Сейчас Солнце непрерывно перерабатывает водородное топливо в гелиевый «пепел», остающийся в ядре. Четыре ядра атома водорода превращаются в одно ядро атома гелия, поэтому средняя масса частиц в центре Солнца со временем возрастает. Вместе с тем ядра гелия создают меньшее давление по сравнению с ядрами водорода. За счет этого скорость превращения водорода в гелий снижается, что приводит к нарушению баланса между давлением и гравитацией. С течением времени размер ядра Солнца постепенно уменьшается. Но в более плотном и горячем ядре реакции синтеза элементов начинают протекать быстрее. Увеличивается количество вырабатываемой энергии, которая вырывается из центра: она понемногу расширяет внешние части звезды и увеличивает ее светимость.
Такие медленные изменения в ядре Солнца протекают с того момента, как наша звезда появилась «на свет». В настоящее время светимость Солнца примерно на 30% вышей той, которая была 4,6 миллиарда лет назад. Эта тенденция с постепенным ускорением сохранится и в будущем до тех пор, пока солнечный шар не расширится до гигантских размеров, и звезда не превратится в красный гигант. Это произойдет уже после истощения запасов водорода в ядре.
Таково наше прошлое и настоящее по мнению астрономов. А какое же будущее предрекает нам наука? Оказывается возрастание излучения Солнца приведет к гибели земной биосферы задолго до превращения Солнца в красный гигант.
Первыми учеными, которые обратили внимание на непосредственное влияние на Землю со стороны возрастающей светимости Солнца, были Джеймс Лавлок и Майкл Витфилд. В статье, опубликованной в 1982 году в журнале «Nature », они показали, что по мере нагревания Земли ее горные породы будут подвергаться нарастающему разрушительному воздействию со стороны атмосферы, в следствии чего усилится поглощение углекислого газа (С0 2): атмосферный углекислый газ в результате химических реакций будет связываться с осадочными горными породами. Лавлок и Витфилд подсчитали, что за 100 миллионов лет количество находящегося в атмосфере СО 2 снизится до уровня, который уже не сможет обеспечивать фотосинтез. Начнут исчезать растения. За ними последуют и животные, которые питаются растениями и дышат кислородом - продуктом процесса фотосинтеза, протекающего в растениях. И все это, по мнению ученых, случится через промежуток времени не больше того, который отделяет нас от эры динозавров.
Современные ученые в целом соглашаются с выводами Лавлока и Витфилда, хотя и находят их излишне пессимистичными. Новая модель, разработанная учеными из Университета штата Пенсильвания (США) Кеном Кальдера и Джеймсом Кастингом, включает в себя более корректное толкование парникового эффекта, чем это имело место в работе Лавлока и Витфилда. В новой модели биосфера будет существовать еще, по крайней мере, в 10 раз больший период времени, чем тот, который прошел с момента ее образования.
Примерно через 3,5 миллиарда лет светимость Солнца возрастет на 40% по сравнению с настоящим уровнем. Все запасы воды с поверхности нашей планеты испарятся, поверхность иссушится, растрескается и будет похожа на поверхность Венеры наших дней. В отсутствие воды углекислый газ, 25-40% современного количества которого растворено в водах океанов, будет иметь только один путь - в атмосферу. Большее количество СО 2 в атмосфере приведет к еще большему нагреванию поверхности планеты вследствие парникового эффекта. Земля покроется трещинами, и в результате увеличения вулканической активности в атмосферу попадет дополнительный объем углекислого газа. В итоге Земля не только лишится всех водных запасов, но и будет окутана тонкой оболочкой углекислого газа. Биосфера исчезнет.
Затем в течение нескольких миллиардов лет безжизненная Земля изменяться не будет, за исключением непрерывного повышения температуры ее поверхности. Но через 7 миллиардов лет излучение нашего светила начнет резко возрастать, что будет означать переход Солнца в следующую фазу эволюции. Когда возраст Солнца достигнет 12 миллиардов, лет запасы водорода в его ядре иссякнут.
После этого ядро звезды начнет стремительно сжиматься, поскольку гравитационному сжатию больше ничто не препятствует. В результате сжатия температура внутри ядра резко возрастет и поступающий из внешних слоев водород вновь начнет превращаться в гелий с еще большей скоростью. Выделяющаяся при этом энергия устремится к внешним слоям звезды, расширяя их сначала в 2, затем в 3 раза и более. Солнце закончит пребывание на главной последовательности эволюции звезд и примерно на 700 миллионов лет превратится в субгигант.
Когда весь водород в ядре Солнца израсходуется, ядерное горение переместится в расширяющуюся оболочку ядра. Это изменение приведет к событиям, которые резко увеличат потребление водорода и выделение энергии, что приведет к расширению поверхностных слоев нашего светила до ошеломляющих размеров. Оно превратится в раздувшуюся карикатуру своей первоначальной формы, его диаметр возрастет более чем в 160 раз. Солнце станет красным гигантом.
В ту эпоху для внутренних областей Солнечной системы наступят действительно тяжелые времена. По мере увеличения размера Солнца, превращающегося в красного гиганта, оно поглотит и испарит сначала Меркурий, затем Венеру. В Солнечной системе на две планеты станет меньше. Но что случится с Землей? Ответ неоднозначный. Дело в том, что на стадии красного гиганта эволюционирующая звезда теряет большую часть своей массы, которую уносит в открытый космос мощный звездный ветер. Солнце теряет свое вещество и сейчас. Его уносит в окружающее пространство вырывающийся из солнечной короны поток разреженной плазмы. В настоящее время Солнце теряет едва ли более одной сотой процента своей массы за один миллиард лет. Но звездный ветер красных гигантов, находящихся на поздних стадиях, например, переменных звезд типа Миры Кита, обладает гораздо более страшной силой. Он просто сдувает с красного гиганта в космическое пространство легкие фракции вещества. Так образуются планетарные туманности. Модели эволюции звезд показывают, что Солнце потеряет почти половину своей массы, прежде чем станет белым карликом.
По мере потери Солнцем своей массы планеты будут двигаться вокруг него по все более увеличивающимся орбитам из-за ослабления гравитационного притяжения Солнца. По этой причине конечная судьба Земли остается неопределенной. Возможно, наша планета избежит встречи с раздувшимся Солнцем, перейдя на орбиту, на которой в настоящее время находится Марс.
Произойдет это или нет, зависит от того, потеряет ли Солнце достаточную массу перед тем, как расширится. Некоторые модели предсказывают, что у Земли будет достаточно времени для того, чтобы избежать гибели. Но другие модели предсказывают совершенно иной результат. Согласно вычислениям, выполненным Джорджем Боуеном и Ли Энн Виллсон из Университета штата Айова (США), основная потеря массы Солнца произойдет лишь после того, как оно проглотит Землю.
Астрономы не знают точно, что произойдет с Солнцем в конце фазы красного гиганта, поскольку пока не удалось построить подходящую модель для событий, связанных с гелиевой вспышкой - началом горения гелия в ядре звезды. Исследования Виллсон привели ее к выводу о том, что Солнце, возможно, доживет до гелиевой вспышки, еще не потеряв своей основной массы. По ее мнению, Земля сгорит дотла, а ее пепел будет развеян солнечным ветром.
Каспер Рибики из Польской Академии наук и Карло Денис из Университета города Льеж (Бельгия) полагают, что Приливное взаимодействие приведет к уменьшению орбиты Земли. Внешняя оболочка Солнца, по всей видимости, «захватит» Землю, и будет «затягивать» ее к ядру, особенно на последних стадиях жизни красного гиганта, когда повторяющиеся кратковременные гелиевые вспышки раздуют звезду до максимальных размеров.
Даже если Земле удастся избежать этой опасности, она будет изрядно «поджарена». Когда светимость Солнца увеличится от 2000 до 3000 раз по сравнению с настоящим уровнем, температура поверхности Земли достигнет 1500°С.
Наша планета в итоге превратится в шар расплавленной лавы, а вся ее атмосфера и твердый поверхностный слой просто выкипят.
Такой бесславный конец ожидает нашу родную планету в отдаленном будущем. И если человечество не найдет способа переместиться в другую пригодную для жизни область космоса само на космических кораблях или вместе с планетой Земля, то нашу цивилизацию ждет гибель. Однако в нашем распоряжении еще есть, как минимум, сотни миллионов лет. За это время можно найти выход.
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.
