Энергия солнца передается излучением от слоя

Энергия солнца передается излучением от слоя

§ 20. ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ И ВНУТРЕННЕЕ СТРОЕНИЕ СОЛНЦА

1. Источники энергии Солнца. На протяжении миллиар­дов лет Солнце ежесекундно излучает огромную энергию. Как и вообще все физические процессы, излучение Солнца и других звезд подчиняется важнейшему закону природы — закону сохранения и превращения энергии. Следовательно, энергия Солнца не может возникнуть из ничего и суще­ствуют источники, поддерживающие непрерывное излучение Солнца.

Согласно современным представлениям, в недрах Солнца и других звезд происходят термоядерные реакции. В ходе этих реакций, сопровождающихся большим выделением энергии, одни химические элементы превращаются в другие. Вы знаете, что самый распространенный элемент на Солнце — водород. В недрах Солнца он ионизован и нахо­дится в виде ядер атомов водорода — протонов. Скорость этих протонов в условиях огромных температур настолько велика, что они сближаются, преодолевая электрические силы отталкивания. На очень близких расстояниях всту­пают в действие мощные ядерные силы и начинаются реак­ции, в ходе которых возникают ядра новых химических элементов. Внутри Солнца водород превращается в гелий.

Рассмотрим один из возможных путей такого перехода. Слияние двух протонов ( 1 H ) сопровождается образованием ядра тяжелого водорода дейтерия ( 2 D ) и испусканием двух элементарных частиц: позитрона (е + ) и нейтрино (ν). Кратко эту реакцию можно записать так:

. (30)

Если образовавшийся в результате взаимодействия протонов дейтерий сам вступит в ядерную реакцию с протоном, то возникнет ядро легкого изотопа гелия ( 3 Не) и выделится энергия в виде коротковолнового гамма-излучения (γ):

. (31)

В дальнейшем слияние двух ядер 3 Не приведет к образо­ванию ядра гелия ( 4 Не) и двух ядер водорода:

. (32)

Рассмотренная цепочка из трех реакций называется протон-протонным циклом . В результате цик­ла из четырех ядер водорода образуется одно ядро гелия. Какая же энергия выделяется при этом?

Масса одного протона в атомных единицах составляет 1,008, четырех — 4,032. Поскольку масса одного ядра гелия 4,004, то разность 4,032 — 4,004 = 0,028 (дефект массы). Так как 0,028 : 4,032 = 0,007, то при синтезе 1 г гелия дефект массы составит примерно 0,007 г . Зная это и используя от­крытый Эйнштейном закон взаимосвязи массы и энергии Е=тс 2 , подсчитаем, сколько энергии выделяется при «сго­рании» 1 г водорода:

кг м/с Дж

(с = 3•10 8 м/с — скорость света).

Один из продуктов протон-протонного цикла — ней­трино. Эти частицы способны почти без взаимодействия с веществом проникать сквозь толщу всей звезды, унося неко­торую энергию непосредственно из ее центральных областей. Огромная проникающая способность нейтрино делает их трудноуловимыми: их невозможно непосредственно зареги­стрировать обычными счетчиками элементарных частиц. Но сделать это крайне важно и интересно, так как нейтринное излучение, в отличие от всех других видов излучения, как бы позволяет «заглянуть» в недра Солнца. Нейтринные на­блюдения Солнца (они уже проводятся с помощью нейтрин­ных телескопов, установленных глубоко под Землей) позволят выяснить, насколько верна общепринятая гипотеза об источниках энергии Солнца и подобных ему звезд. Откры­тие источника энергии звезд имеет важное значение для по­нимания процессов, происходящих внутри звезд. Кроме того, оно послужило толчком к поискам путей технического использования термоядерного синтеза в земных условиях (проблема управляемых термоядерных реакций).

2*. Внутреннее строение Солнца . Основываясь на дан­ных о массе, светимости, радиусе Солнца, на физических законах (которые благодаря своей универсальности приме­нимы не только на Земле, но и в условиях других небесных тел), можно получить данные о давлении, плотности, темпе­ратуре и химическом составе на разных расстояниях от цен­тра Солнца. Первые три параметра (давление, плотность, температура) возрастают с глубиной, достигая максималь­ных значений в центре Солнца. Химический состав Солнца тоже не остается одинаковым на разных глубинах: водород всюду на Солнце оказывается самым распространенным эле­ментом, но процентное содержание водорода меньше все­го в центре и больше всего в фотосфере Солнца и его атмо­сфере.

Согласно современным данным, термоядерные реакции происходят только в центральных областях Солнца, прости­рающихся не далее 0,3 радиуса от его центра. Ближе к по­верхности, где температура значительно меньше, чем около центра Солнца, источников энергии нет. Значит, энергия, выделяющаяся в результате термоядерного синтеза, должна быть передана наружу через огромную толщу раскаленной плазмы. От 0,3 до 0,7 радиуса Солнца (считая от центра) энергия передается излучением от слоя к слою. При этом слои не меняются своими местами, а энергия, излучен­ная нижним слоем, поглощается верхним и затем переизлу­чается им и т. д. Происходит очень медленное, длящееся не менее миллиона лет «просачивание» излучения от центра Солнца к поверхности. Каждый последующий слой излучает кванты меньшей энергии, чем предыдущий. Поэтому хотя в центральных областях Солнца вырабатываются гамма-кванты, но далее они последовательно превращаются в кванты рентгеновского излучения, затем ультрафиолетового и, наконец, вблизи поверхности, в кванты видимого излуче­ния. Примерно на расстоянии 0,3 радиуса Солнца от его по­верхности основным процессом переноса энергии из глубины наружу становится, как вы уже знаете, конвекция . Конвективная зона простирается до фотосферы, и о проис­ходящей в подфотосферных слоях конвекции свидетель­ствует грануляция на поверхности Солнца.

Равновесие Солнца обеспечивается тем, что силы тяго­тения, стремящиеся сжать газовый шар, уравновешиваются силами внутреннего газового давления. Исходя из этого, оценим давление и температуру в центре Солнца.

Выделим внутри Солнца столбик с площадью основания S и высотой h = . Сила газового давления ( F ) вблизи цен­тра уравновешивается весом столбика вещества, т.е. F = Р. Вес рассматриваемого вещества можно рассчитать по его массе: Р= mg , а поскольку т=ρ V = ρ S , то

Р =ρ S g .

Принимая с целью упрощения расчетов и вычисляя g из закона всемирного тяготения при r = /2, полу­чим

. (33)

Так как давление есть то давление в центре Солнца можно оценить по формуле:

. (34)

Откуда р_ц = 1,1• 10 15 Па. Более строгие вычисления дают р_ц = 2 • 10 16 Па.

Плотность в центре Солнца на самом деле не равна сред­ней плотности, а на порядок выше ее, т. е. ρ_ц (так как = 1,4 • 10 3 кг/м 3 , то ρ_ц = 1,4 • 10 4 кг/м 3 !).

Несмотря на огромную плотность вещества, даже в цен­тре Солнца расстояния между частицами велики по сравне­нию с размерами частиц. Но в таком случае к веществу в центре Солнца применимо уравнение Менделеева — Клапей­рона:

,

где ρ — давление газа; R = 8,31 Дж/(моль•К) — универсаль­ная газовая постоянная; М, Т и ρ — соответственно моляр­ная масса, абсолютная температура и плотность газа. От­сюда

и получаем формулу для приближенного вычисления темпе­ратуры в центре Солнца:

(35)

Аналогичные рассуждения позволяют сделать оценки р и Т не только для центра Солнца, но и, например, для глу­бины, равной половине радиуса ( /2). В принципе можновычислить р, Т и ρ на любой глубине и получить распреде­ления этих параметров с глубиной: р = p ( r ), T = Т( r ) и ρ = ρ( r ) . Совокупность этих функций (их можно представить в виде формул, таблиц или графиков) образует модель внутреннего строения Солнца. Астрономы пытаются строить мо­дели, максимально приближенные к реальности. Они сводят к минимуму упрощающие допущения; учитывают изменение химического состава с глубиной и то, как на Солнце выра­батывается энергия и каким образом осуществляется ее пе­ренос; используют самые современные методы вычисления. И все-таки в результате получается не копия внутреннего строения Солнца (или других звезд), а скорее «контуры», позволяющие постичь главное, отвлекаясь от второстепен­ного, несущественного.

Источник

Как образуется солнечная энергия

Солнечная система > Солнце > Как образуется солнечная энергия

Как производится солнечная энергия? Солнечная энергия появляется в результате превращения водорода в гелий путем реакции ядерного синтеза в центральной части нашей звезды. Это означает, что имеющиеся в ядре в огромном количестве атомы водорода максимально сближаются и затем сливаются в атомы гелия. Полученная энергия Солнца затем излучается из ядра и передается в межзвездное пространство Солнечной системы. Конечно, это не исчерпывающий ответ на вопрос, поэтому ниже более подробно описано, как именно энергия передается от ядра Солнца к Земле и другим объектам в Солнечной системе.

Процесс ядерного синтеза в ядре Солнца

Ядро Солнца простирается от центра звезды до четверти ее радиуса. Оно имеет плотность около 150 г/см3, а температура его вещества близка к 13 600 000 К. Энергия, производимая в результате ядерного синтеза, получается в ходе серии протон-протонных циклов превращения водорода в гелий. Ядро является единственной частью Солнца, которая производит значительное количество энергии посредством синтеза (почти 99%).

Остальная часть звезды нагревается солнечной энергией, которая передается из центра. Прежде чем уйти в космическое пространство в виде кинетической энергии (в данном случае, в виде солнечных лучей), энергия проходит через множество слоев к солнечной фотосфере. Протон-протонные циклы происходят около 9,2 × 10 37 раз в секунду. Реакция превращения водорода в гелий высвобождает около 0,7% синтезированной массы в виде энергии, и это составляет около 4,26 млн тонн в секунду.

Следующая зона – зона излучения Солнца. Здесь плазма достаточно плотная и горячая, чтобы тепловое излучение могло передаваться от слоя к слою, и тепловая конвекция отсутствует. Температура вещества падает по мере удаления от центра. Градиент температуры меньше адиабатического градиента, поэтому конвекция здесь физически невозможна. Тепло передается фотонами, испускаемыми ионами гелия и водорода, которые проходят небольшое расстояние и опять поглощаются.

Далее идет солнечная зона конвекции. Здесь солнечная плазма недостаточно плотная и горячая для передачи внутреннего тепла путем излучения. Конвекция происходит путем переноса слоев, несущих горячее вещество, наружу – в фотосферу. Как только плазма остывает в фотосфере, она обратно погружается во внутреннюю часть зоны конвекции и нагревается от наружной части зоны излучения. На поверхности Солнца температура плазмы снижается до 5 700 К. Турбулентная конвекция этого слоя вызывает эффект, который приводит к появлению магнитных полюсов по всей поверхности звезды

Наконец, в фотосфере появляется солнечный свет, который может свободно распространяются (перемещаться) по межзвездному пространству. Эта энергия излучается на поверхность или в атмосферу тел Солнечной системы. Атмосфера Земли фильтрует часть ультрафиолетовых лучей, но определенное количество этой энергии все же достигает земной поверхности, затем отражается от нее обратно в атмосферу. После такого рикошета Земля поглощает часть энергии, и наша планета нагревается. Технологический прогресс позволил создать солнечные батареи, позволяющие использовать естественную солнечную энергию в бытовых целях.

Источник

Солнце и солнечная энергия

Солнце играет исключительную роль в жизни Земли. Весь органический мир нашей планеты обязан Солнцу своим существованием. Солнце – это не только источник света и тепла, но и первоначальный источник многих других видов энергии (энергии нефти, угля, воды, ветра).

С момента появления на земле человек начал использовать энергию солнца. По археологическим данным известно, что для жилья предпочтение отдавали тихим, закрытым от холодных ветров и открытых солнечным лучам местам.

Пожалуй, первой известной гелиосистемой можно считать статую Аменхотепа III, относящуюся к XV веку до н.э. Внутри статуи располагалась система воздушных и водяных камер, которые под солнечными лучами приводили в движение спрятанный музыкальный инструмент. В Древней Греции поклонялись Гелиосу. Имя этого бога сегодня легло в основу многих терминов, связанных с солнечной энергетикой.

Проблема обеспечения электрической энергией многих отраслей мирового хозяйства, постоянно растущих потребностей населения Земли становится сейчас все более насущной.

Общие сведения о Солнце

Солнце – центральное тело Солнечной системы, раскаленный плазменный шар, типичная звезда-карлик спектрального класса G2.

Характеристики Солнца

629 тыс. км

V= 1,41*1027 м3, что почти в 1300 тыс. раз превосходит объем Земли,

средняя плотность 1,41*103 кг/м3,

светимость LS=3,86*1023 кВт,

эффективная температура поверхности (фотосфера) 5780 К,

период вращения (синодический) изменяется от 27 сут на экваторе до 32 сут. у полюсов,

ускорение свободного падения 274 м/с2 (при таком огромном ускорении силы тяжести человек массой 60 кг весил бы более 1,5 т.).

Строение Солнца

В центральной части Солнца находится источник его энергии, или, говоря образным языком, та “печка”, которая нагревает его и не даёт ему остыть. Эта область называется ядром (см. рис.1). В ядре, где температура достигает 15 МК, происходит выделение энергии. Ядро имеет радиус не более четверти общего радиуса Солнца. Однако в его объёме сосредоточена половина солнечной массы и выделяется практически вся энергия, которая поддерживает свечение Солнца.

Сразу вокруг ядра начинается зона лучистой передачи энергии, где она распространяется через поглощение и излучение веществом порций света – квантов. Кванту требуется очень много времени, чтобы просочиться через плотное солнечное вещество наружу. Так что если бы печка внутри Солнца вдруг погасла, то мы узнали бы об этом только миллионы лет спустя.

На своём пути через внутренние солнечные слои поток энергии встречает такую область, где непрозрачность газа сильно возрастает. Это конвективная зона Солнца. Здесь энергия передаётся уже не излучением, а конвекцией. Конвективная зона начинается примерно на расстоянии 0,7 радиуса от центра и простирается практически до самой видимой поверхности Солнца (фотосферы), где перенос основного потока энергии вновь становится лучистым.

Фотосфера – это излучающая поверхность Солнца, которая имеет зернистую структуру, называемую грануляцией. Каждое такое зерно размером почти с Германию и представляет собой поднявшийся на поверхность поток горячего вещества. На фотосфере часто можно увидеть относительно небольшие темные области — солнечные пятна. Они на 1500˚С холоднее окружающей их фотосферы, температура которой достигает 5800˚С. Из-за разницы температур с фотосферой эти пятна и кажутся при наблюдении в телескоп совершенно черными. Над фотосферой расположен следующий, более разряженный слой, называемый хромосферой, то есть окрашенной сферой. Такое название хромосфера получила благодаря своему красному цвету. И, наконец, над ней находится очень горячая, но и чрезвычайно разреженная часть солнечной атмосферы — корона.

Солнце – источник энергии

Наше Солнце – это огромный светящийся газовый шар, внутри которого протекают сложные процессы и в результате непрерывно выделяется энергия. Энергия Солнца является источником жизни на нашей планете. Солнце нагревает атмосферу и поверхность Земли. Благодаря солнечной энергии дуют ветры, осуществляется круговорот воды в природе, нагреваются моря и океаны, развиваются растения, животные имеют корм. Именно благодаря солнечному излучению на Земле существуют ископаемые виды топлива. Солнечная энергия может быть преобразована в теплоту или холод, движущую силу и электричество.

Солнце испаряет воду с океанов, морей, с земной поверхности. Оно превращает эту влагу в водяные капли, образуя облака и туманы, а затем заставляет её снова падать на Землю в виде дождя, снега, росы или инея, создавая, таким образом, гигантский круговорот влаги в атмосфере.

Солнечная энергия является источником общей циркуляции атмосферы и циркуляции воды в океанах. Она как бы создаёт гигантскую систему водяного и воздушного отопления нашей планеты, перераспределяя тепло по земной поверхности.

Солнечный свет, попадая на растения, вызывает у него процесс фотосинтеза, определяет рост и развитие растений; попадая на почву, он превращается в тепло, нагревает её, формирует почвенный климат, давая тем самым жизненную силу находящимся в почве семенам растений, микроорганизмам и населяющим её живым существам, которые без этого тепла пребывали бы в состоянии анабиоза (спячки).

Солнце излучает огромное количество энергии — приблизительно 1,1×1020 кВт·ч в секунду. Киловатт·час — это количество энергии, необходимое для работы лампочки накаливания мощностью 100 ватт в течение 10 часов. Внешние слои атмосферы Земли перехватывают приблизительно одну миллионную часть энергии, излучаемой Солнцем, или приблизительно 1500 квадрильонов (1,5 x 1018) кВт·ч ежегодно. Однако только 47% всей энергии, или приблизительно 700 квадрильонов (7 x 1017) кВт·ч, достигает поверхности Земли. Остальные 30% солнечной энергии отражается обратно в космос, примерно 23% испаряют воду, 1% энергии приходится на волны и течения и 0,01% — на процесс образования фотосинтеза в природе.

Исследование солнечной энергии

Почему Солнце светит и не остывает уже миллиарды лет? Какое «топливо» дает ему энергию? Ответы на этот вопрос ученые искали веками, и только в начале XX века было найдено правильное решение. Теперь известно, что, как и другие звезды, светит благодаря протекающим в его недрах термоядерным реакциям.

Если ядра атомов лёгких элементов сольются в ядро атома более тяжелого элемента, то масса нового окажется меньше, чем суммарная масса тех, из которых оно образовалось. Остаток массы превращается в энергию, которую уносят частицы, освободившиеся в ходе реакции. Эта энергия почти полностью переходит в тепло. Такая реакция синтеза атомных ядер может происходить только при очень высоком давлении и температуре свыше 10 млн. градусов. Поэтому она и называется термоядерной.

Основное вещество, составляющее Солнце, — водород, на его долю приходится около 71% всей массы светила. Почти 27% принадлежит гелию, а остальные 2% — более тяжелым элементам, таким как углерод, азот, кислород и металлы. Главным «топливом» Солнца служит именно водород. Из четырех атомов водорода в результате цепочки превращений образуется один атом гелия. А из каждого грамма водорода, участвующего в реакции, выделяется 6×10 11 Дж энергии! На Земле такого количества энергии хватило бы для того, чтобы нагреть от температуры 0ºC до точки кипения 1000 м 3 воды.

Потенциал солнечной энергии

Солнце обеспечивает нас в 10 000 раз большим количеством бесплатной энергии, чем фактически используется во всем мире. Только на мировом коммерческом рынке покупается и продается чуть меньше 85 триллионов (8,5 x 10 13 ) кВт·ч энергии в год. Поскольку невозможно проследить за всем процессом в целом, нельзя с уверенностью сказать, сколько некоммерческой энергии потребляют люди (например, сколько древесины и удобрения собирается и сжигается, какое количество воды используется для производства механической или электрической энергии). Некоторые эксперты считают, что такая некоммерческая энергия составляет одну пятую часть всей используемой энергии. Но даже если это так, то общая энергия, потребляемая человечеством в течение года, составляет только приблизительно одну семитысячную часть солнечной энергии, попадающей на поверхность Земли в тот же период.

В развитых странах, например, в США, потребление энергии составляет примерно 25 триллионов (2.5 x 10 13 ) кВт·ч в год, что соответствует более чем 260 кВт·ч на человека в день. Данный показатель является эквивалентом ежедневной работы более чем ста лампочек накаливания мощностью 100 Вт в течение целого дня. Среднестатистический гражданин США потребляет в 33 раза больше энергии, чем житель Индии, в 13 раз больше, чем китаец, в два с половиной раза больше, чем японец и вдвое больше, чем швед.

Источник