Источник энергии Солнца
Температура Солнца
Температуру поверхности Солнца учёные определили ещё в 19-м веке по спектру солнечного излучения — фактически по цвету солнечного света.
Дело в том, что цвет излучаемого нагретым телом света зависит от температуры тела. При повышении температуры цвет изменяется от красного к голубому: так, при температуре около 3000—4000 градусов 1 тело светит красным светом, при температуре около 6000 градусов — белым, а при ещё более высокой температуре излучаемый свет становится голубоватым.
1 Для таких высоких температур не имеет значения, определяем ли мы температуру по шкале Цельсия или по абсолютной шкале. Поэтому мы будем задавать её просто в «градусах», так как они говорят воображению больше, чем «кельвины».
Наше Солнце светит белым светом, то есть его поверхность раскалена «добела» — примерно до 6000 градусов. По земным меркам это довольно высокая температура: при такой температуре все известные вещества обращаются в пар.
В 20-м веке с помощью наблюдений и теоретических расчётов ученые смогли определить температуру в центральной области Солнца. И оказалось, что она в тысячи раз больше, чем температура его поверхности: в центре Солнца температура около 15 миллионов градусов.
По сравнению с таким «пеклом» раскалённая добела поверхность Солнца может показаться даже прохладной!
Ранние гипотезы об источнике энергии Солнца
С давних пор учёных интересовал вопрос: за счёт какой энергии Солнце так щедро и так долго расточает тепло? Ответ на этот вопрос они пытались найти, используя имевшиеся у них к тому времени знания.
До 20-го века единственным известным способом получения высокой температуры было сжигание топлива, то есть химические реакции. Поэтому, естественно, учёные предположили, что Солнце «горит» в буквальном смысле слова, то есть источником его энергии являются химические реакции.
Расчёты показали, однако, что при нынешнем расходе энергии Солнце «сгорело» бы дотла в течение всего нескольких тысяч лет. А геологические исследования неопровержимо указывали на то, что Земля существует миллиарды лет. Но ведь не может же Земля быть старше Солнца!
Источник
Гипотезы источниках энергии солнца
§ 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 рц = 1,1• 10 15 Па. Более строгие вычисления дают рц = 2 • 10 16 Па.
Плотность в центре Солнца на самом деле не равна средней плотности, а на порядок выше ее, т. е. ρц 
(так как 
= 1,4 • 10 3 кг/м 3 , то ρц = 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
Источник солнечной энергии
» Солнце » Источник солнечной энергии
Известно несколько гипотез, отвечающих на вопрос об источнике энергии Солнца. Большинство гипотез оказались несостоятельными, некоторые невозможно проверить и лишь одна из них считается в современной астрономии верной. Рассмотрим гипотезы по мере их возникновения.
Гипотеза Роберта Майера
Исследователь середины 19 века Роберт Майер высказал мнение, что Солнце постоянно подвергается «бомбардировке» метеоритами и за счет этого возникает солнечный свет. Но гипотезу опровергают простые математические расчеты, которые показывают, что за время существования Солнца для того, чтобы оно светило, на него должно упасть метеоритов в 150 раз больше его массы, что невозможно.
Гипотеза Гельмгольца и Кельвина
Исследователи в середине 19 века высказали мнение о том, что Солнце сжимается за счет того, что частицы солнечного вещества притягиваются. Согласно этой гипотезе диаметр Солнца с каждым годом уменьшается на 60 – 70 метров. Но математические расчеты опровергают эту гипотезу: если верить гипотезе возраст солнца всего 20 миллионов лет. А современные исследования показывают, что солнце возникло около 5 миллиардов лет назад.
Гипотеза Джеймса Джинса
Исследователь в начале 20 века высказал мысль о том, что Солнце излучает энергию, источником которой являются тяжелые радиоактивные элементы. Они находятся в солнечном ядре и распадаются. Гипотеза оказалась несостоятельной потому, что Солнце физически не может содержать такое количество радиоактивных элементов, которое позволило бы излучать количество энергии, какое звезда излучает сейчас.
Гипотеза Ханса Бете
Исследователь в 1935 году высказал мысль о том, что солнечную энергию порождают термоядерные реакции, которые непрерывно протекают в солнечном ядре. Это реакции, в результате которых самый распространенный в космосе элемент водород превращается в гелий. Солнце на 75 % состоит из частиц водорода. В результате термоядерной реакции, которая представляет собой протон-протонный цикл и длится очень медленно – в течение 7,9∙109 лет, четыре протона водорода порождают ядро гелия. Пара позитронов и пара нейтрино остаются свободными. В результате такой реакции выделяется 26,7 МэВ энергии.
Источник