Как рождается энергия Солнца?
Есть одна причина, по которой Земля является единственным местом в Солнечной системе, где существует и процветает жизнь. Конечно, ученые подозревают, что под ледяной поверхностью Европы или Энцелада может тоже существовать микробная или даже водная форма жизни, также ее могут найти и в метановых озерах Титана. Но до поры до времени Земля остается единственным местом, которое обладает всеми необходимыми условиями для существования жизни.
Одна из причин этому заключается в том, что Земля расположена в потенциально обитаемой зоне вокруг Солнца (так называемой «зоне Златовласки»). Это означает, что она находится в нужном месте (не слишком далеко и не слишком близко), чтобы получать обильную энергию Солнца, в которую входит свет и тепло, необходимые для протекания химических реакций. Но как именно Солнце обеспечивает нас энергией? Какие этапы проходит энергия на пути к нам, на планету Земля?
Ответ начинается с того, что Солнце, как и все звезды, может вырабатывать энергию, поскольку является, по сути, массивным термоядерным реактором. Ученые считают, что оно началось с огромного облака газа и частиц (т. е. туманности), которое коллапсировало под силой собственной тяжести — это так называемая теория туманности. В этом процессе родился не только большой шар света в центре нашей Солнечной системы, но и водород, собранный в этом центре, начал синтезироваться с образованием солнечной энергии.
Технически известный как ядерный синтез, этот процесс высвобождает огромное количество энергии в виде тепла и света. Но на пути из центра Солнца к планете Земля эта энергия проходит через ряд важных этапов. В конце концов, все сводится к слоям Солнца, и роль каждого из них играет важную роль в процессе обеспечения нашей планеты важнейшей для жизни энергией.
Ядро Солнца — это область, которая простирается от центра до 20-25% радиуса светила. Именно здесь, в ядре, производится энергия, порождаемая преобразованием атомов водорода (H) в молекулы гелия (He). Это возможно благодаря огромному давлению и высокой температуре, присущим ядру, которые, по оценкам, эквивалентны 250 миллиардам атмосфер (25,33 триллиона кПа) и 15,7 миллионам градусов по Цельсию, соответственно.
Конечным результатом является слияние четырех протонов (молекул водорода) в одну альфа-частицу — два протона и два нейтрона, связанных между собой в частицу, идентичной ядру гелия. В этом процессе высвобождается два позитрона, а также два нейтрино (что меняет два протона на нейтроны) и энергия.
Ядро — единственная часть Солнца, которая производит значительное количество тепла в процессе синтеза. По сути, 99% энергии, произведенной Солнцем, содержится в пределах 24% радиуса Солнца. К 30% радиуса синтез почти целиком прекращается. Остаток Солнца подогревается энергией, которая передается из ядра через последовательные слои, в конечном счете достигая солнечной фотосферы и утекая в космос в виде солнечного света или кинетической энергии частиц.
Солнце высвобождает энергию, преобразуя массу в энергию со скоростью 4,26 миллиона метрических тонн в секунду, что эквивалентно 38,460 септиллионам ватт в секунду. Чтобы вам было понятнее, это эквивалентно взрывам 1 820 000 000 «царь-бомб» — самой мощной термоядерной бомбы в истории человечества.
Зона лучистого переноса
Эта зона находится сразу после ядра и простирается на 0,7 солнечного радиуса. В этом слое нет тепловой конвекции, но солнечная материя очень горячая и достаточно плотная, чтобы тепловое излучение запросто передавало интенсивное тепло из ядра наружу. В основном она включает ионы водорода и гелия, испускающие фотоны, которые проходят короткое расстояние и поглощаются другими ионами.
Конвективная зона
Это внешний слой Солнца, на долю которого приходится все, что выходит за рамки 70% внутреннего радиуса Солнца (и уходит примерно на 200 000 километров ниже поверхности). Здесь температура ниже, чем в радиационной зоне, и тяжелые атомы не полностью ионизированы. В результате радиационный перенос тепла проходит менее эффективно, и плотность плазмы достаточно низка, чтобы позволить появляться конвективным потокам.
Из-за этого поднимающиеся тепловые ячейки переносят большую часть тепла наружу к фотосфере Солнца. После тог, как эти ячейки поднимаются чуть ниже фотосферической поверхности, их материал охлаждается, а плотность увеличивается. Это приводит к тому, что они опускаются к основанию конвективной зоны снова — где забирают еще тепло и продолжают конвективный цикл.
На поверхности Солнца температура падает до примерно 5700 градусов по Цельсию. Турбулентная конвекция этого слоя Солнца также вызывает эффект, который вырабатывает магнитные северный и южный полюса по всей поверхности Солнца.
Именно в этом слое также появляются солнечные пятна, которые кажутся темными по сравнению с окружающей область. Эти пятна соответствуют концентрациям потоков магнитного поля, которые осуществляют конвекцию и приводят к падению температуры на поверхности по сравнению с окружающим материалом.
Фотосфера
Наконец, есть фотосфера, видимая поверхность Солнца. Именно здесь солнечный свет и тепло, излученные и поднятые на поверхность, распространяются в космос. Температуры в этом слое варьируются между 4500 и 6000 градусами. Поскольку верхняя часть фотосферы холоднее нижней, Солнце кажется ярче в центре и темнее по бокам: это явление известно как затемнение лимба.
Энергия, испускаемая фотосферой, распространяется в космосе и достигает атмосферы Земли и других планет Солнечной системы. Здесь, на Земле, верхний слой атмосферы (озоновый слой) фильтрует большую часть ультрафиолетового излучения Солнца, но пропускает часть на поверхность. Затем эта энергия поглощается воздухом и земной корой, согревает нашу планету и обеспечивает организмы источником энергии.
Солнце находится в центре биологических и химических процессов на Земле. Без него жизненный цикл растений и животных закончился бы, циркадные ритмы всех земных существ были бы сорваны, и жизнь на Земле перестала бы существовать. Важность Солнца была признана еще в доисторические времена, и многие культуры рассматривали его как божество (и зачастую помещали его в качестве главного божества в свои пантеоны).
Однако только в последние несколько столетий мы начали понимать процессы, которые питают Солнце. Благодаря постоянным исследованиям физиков, астрономов и биологов, мы теперь можем понять, как Солнце производит энергию и как она проходит через нашу Солнечную систему. Изучение известной Вселенной с ее разнообразием звездных систем и экзопланет также помогает нам провести аналогию с другими типами звезд.
Источник
Источник энергии солнца
Солнечная энергия дает жизнь всему живому на Земле. Под ее воздействием испаряется вода с морей и океанов, превращаясь в водные капли, образуя туманы и облака. В результате, эта влага вновь выпадает на Землю, создавая постоянный круговорот. Поэтому, мы постоянно наблюдает снег, дождь, иней или росу. Создаваемая солнцем огромная система отопления, позволяет наиболее оптимально распределять тепло по поверхности Земли. Чтобы правильно понимать и использовать эти процессы, необходимо представлять себе источник энергии солнца и то, от чего зависит его влияние на нашу планету.
Виды солнечной энергии
Основным видом энергии, выделяемой Солнцем, по праву считается лучистая энергия, оказывающая прямое влияние на все важнейшие процессы, происходящие на Земле. Если сравнивать с ней другие земные энергетические источники, то их запасы бесконечно малы и не позволяют решить всех проблем.
Из всех звезд, Солнце расположено к Земле ближе всего. По своей структуре оно является газовым шаром, многократно превышающим диаметр и объем нашей планеты. Поскольку размеры газового шара достаточно условны, то его границами считается видимый с Земли солнечный диск.
Источник и физические свойства солнечной энергии
Все процессы, происходящие на Солнце, можно наблюдать лишь на его поверхности. Однако, основные реакции протекают в его внутренней части. По сути, это гигантская атомная станция с давлением примерно 100 млрд. атмосфер. Здесь, в условиях сложных ядерных реакций, происходит превращение водорода в гелий. Именно эти реакции образуют основной источник энергии солнца. Внутренняя температура составляет, в среднем, приблизительно 16 млн. градусов.
Газ, бушующий внутри Солнца, имеет не только сверхвысокую температуру, но и является чрезвычайно тяжелым, обладающим плотностью, многократно превышающей среднюю солнечную плотность. Одновременно, происходит возникновение рентгеновских лучей, которые, по мере приближения к Земле, увеличивают длину своих волн и уменьшают частоту колебаний. Таким образом, они постепенно становятся видимым и ультрафиолетовым светом.
При отдалении от центра, характер лучистой энергии изменяется, оказывая влияние и на температуру. Происходит ее постепенное снижение сначала до 150 тыс. градусов. С Земли хорошо видна только внешняя солнечная оболочка, так называемая фотосфера. Ее толщина составляет примерно 300 км, а температура верхнего слоя снижается до 5700 градусов.
Над фотосферой расположена солнечная атмосфера, состоящая из двух частей. Нижний слой носит название хромосферы, а верхний слой, не имеющий границ, представляет собой солнечную корону. Здесь газы разогреваются до нескольких миллионов градусов под действием ударных волн чудовищной силы.
Источник
Источники энергии и внутреннее строение Солнца
Урок 55. Физика 11 класс
Конспект урока «Источники энергии и внутреннее строение Солнца»
Там огненны валы стремятся
и не находят берегов,
там вихри пламенны крутятся,
борющись множество веков;
там камни как вода кипят,
горящи там дожди шумят
Солнце светит уже более четырех с половиной миллиардов лет, непрерывно выделяя колоссальное количество энергии. Но откуда берётся эта энергия?
Прежде чем начать изучение новой темы, повторим общие сведения о Солнце. Солнце является звездой нашей системы и имеет массу, превосходящую земную примерно в 333 тысячи раз, а радиус Солнца приблизительно в 109 раз больше радиуса Земли.Светимость Солнца, то есть, мощность излучения составляет 3,85 умножить на 10 в двадцать шестой ватт.
Начали изучать атмосферу Солнца и познакомились с её самым плотным и глубоким слоем – фотосферой. Средняя температура фотосферы составляет примерно 6000 К. Фотосфера имеет зернистую структуру – это получило название грануляции. Размеры гранул могут достигать тысяч километров, и эти гранулы непрерывно находятся в движении.
Солнечной активностью называют целый комплекс явлений и процессов, происходящих в солнечной атмосфере в результате образования и распада сильнейших магнитных полей. Солнечная активность характеризуется изменением количества пятен на Солнце, изменением количества протуберанцев, изменением формы солнечной короны, а также изменением количества и мощности вспышек на Солнце.
Как говорилось ранее, фотосфера не пропускает никакие виды излучения из более глубоких слоев Солнца, поэтому о внутреннем строении Солнца можно узнать только с помощью теоретического анализа, то есть использования общих законов физики и опираясь на уже известные характеристики Солнца.
Солнце не расширяется и не сжимается – значит, гравитационному сжатию препятствует внутреннее давление газа. Известно, что давление – это сила на единицу площади. Но давление можно представить и иначе – как объемную плотность энергии.
Именно этим и воспользуемся для расчетов. Энергия гравитационного поля вычисляется по формуле
Эту формулу можно вывести, пользуясь методом размерности, да и через космические скорости – тоже. Чтобы найти давление (то есть плотность энергии), необходимо энергию разделить на объём
Итак, расчеты говорят о том, что давление внутри Солнца составляет порядка
Напомним, что Солнце – это газовый шар, поэтому, можно применить уравнение состояния идеального газа для оценки температуры (конечно, это немного грубый расчет, но он даст представление о порядке температуры в центре Солнца).
Для расчета молярной массы можно опираться на молярную массу водорода и гелия и на процентное соотношение гелия и водорода в составе Солнца. При достаточно точных вычислениях можно убедиться, что для поддержания гидростатического равновесия температура в центре Солнца должна быть примерно 15 миллионов К. Нетрудно определить и плотность вещества в центре – она составляет почти 150 тысяч кг/м 3 (а это более чем в сто раз превышает среднюю плотность Солнца). Это говорит о том, что у Солнца тоже есть ядро. Итак, в центре Солнца находится ядро, в котором протекают термоядерные реакции. Эти реакции получили название водородного цикла (т.к. в результате термоядерного синтеза из водорода образуется гелий и частично воспроизводится водород).
Размеры ядра составляют примерно 30% от радиуса Солнца. Температура за пределами ядра недостаточно высока для протекания термоядерных реакций. Ведь для протекания описанных реакций необходимо слияние ядер водорода, а это возможно только при очень высоких температурах. Дело в том, что для слияния ядер нужно преодолеть кулоновские силы отталкивания, а это возможно только в том случае, если частицы будут обладать огромной кинетической энергией. Итак, два протона вступают в ядерную реакцию, в результате чего образуется тяжелый водород (дейтерий) и испускается позитрон и нейтрино. При этом выделяется энергия, равная 1,4 МэВ. Ядро дейтерия вступает в реакцию с еще одним протоном, образуя 
. Данная реакция сопровождается испусканием g-кванта и выделением 5,5 МэВ. В результате тех же реакций, другая пара протонов также может образовать ядро . При слиянии двух ядер образуется ядро 
. Эта реакция сопровождается выделением энергии равной 12,85 МэВ, а также образованием двух ядер водорода. Таким образом, водород частично воспроизводится. Известно, что в результате термоядерных реакций выделяется огромное количество энергии. Эта энергия переносится к поверхности Солнца в два этапа: через зону лучистого переноса и конвективную зону. От ядра до расстояний 0,6-0,7 радиуса Солнца энергия переносится посредством различных излучений. Далее, к поверхности Солнца энергия переносится с помощью конвекции (об этом мы говорили, обсуждая время жизни гранул фотосферы). То есть, условно говоря, более горячие потоки плазмы перемещаются ближе к поверхности Солнца, а менее горячие, погружаются в более глубокие слои конвективной зоны.
Конечно, можно сказать, что чисто теоретические представления о внутреннем строении Солнца могут быть не совсем правильные, и нужно каким-то образом произвести наблюдения. Такие наблюдения действительно существуют, и это заслуга физики элементарных частиц. Если обратить внимание, то помимо излучения в процессе термоядерного синтеза гелия рождаются нейтрино. Нейтрино, в отличие от излучения практически не взаимодействуют с веществом, и уже через 2 секунды покидают поверхность Солнца. Нейтрино двигаются со скоростями, близкими к скорости света, поэтому менее чем через восемь с половиной минут они уже достигают Земли. Для наблюдений и регистрирования солнечных нейтрино был построен специальный нейтринный телескоп. Измеряя энергию тех или иных нейтрино, можно понять, в какой термоядерной реакции оно родилось и, таким образом, подтвердить или опровергнуть теоретические предположения.
Поэтому, можно утверждать, что представления о строении Солнца хорошо подтверждаются экспериментально. Общая и очень упрощенная схема работы нейтринного телескопа такова: в огромном резервуаре содержится приблизительно 50 тысяч тонн очень чистой воды. На поверхности резервуара находится более 11000 фотоумножителей, которые регистрируют появляющиеся импульсы голубого цвета – свидетельство столкновения нейтрино с молекулой воды. В воде находится множество калибровочных устройств, компьютеров и другой электроники, помогающей проанализировать полученные данные.
Итак, источником энергии Солнца (да и других звезд) является ядерная энергия, которая выделяется при протекании термоядерных реакций в ядре Солнца. При водородном цикле из четырех ядер атомов водорода (то есть протонов) образуется ядро атома гелия. При этом испускается два позитрона и два нейтрино, и эта реакция сопровождается выделением энергии. Было установлено, что из одного килограмма водорода образуется 0,99 килограмма гелия. То есть, 0,01 килограмма – это дефект масс. Таким образом, при синтезе каждого килограмма водорода в гелий выделяется энергия примерно равная 900 ТДж. Теперь рассчитаем, насколько хватит энергии Солнца, учитывая то, что Солнце состоит, по меньшей мере, на 70% из водорода, а масса ядра составляет примерно 10% от общей массы. Напомним, что светимость – это мощность излучения, то есть, энергия, выделяемая Солнцем ежесекундно. Если разделить запас энергии на светимость, то получим примерное время жизни Солнца.
Оно составит порядка десяти миллиардов лет.
– В центре Солнца находится ядро, которое составляет примерно 10% от общей массы Солнца. В ядре протекают термоядерные реакции, в результате которых выделяется огромная энергия. Эта энергия переносится на поверхность Солнца через зону лучистого переноса и зону конвекции.
– Зона лучистого переноса насыщена радиоактивными излучениями (преимущественно рентгеновским и гамма-излучением), которые переносят энергию на расстояние около нуля целых семи десятых от радиуса Солнца.
– Дальнейший перенос энергии осуществляется конвективными потоками плазмы – это явление подтверждается грануляцией.
– В процессе термоядерных реакций на Солнце рождаются нейтрино, которые менее чем за восемь с половиной минут достигают Земли из-за того, что они почти не взаимодействуют с веществом.
– С помощью нейтринного телескопа ученые могут оценить процессы, происходящие внутри Солнца, а также его внутреннее строение.
– По современным представлениям, время жизни Солнца составляет приблизительно 10 миллиардов лет, в то время, как оно существует чуть более четырех с половиной миллиардов лет.
Источник