§ 19. Солнце как звезда
1. Что такое солнечная постоянная? Как её определили?
Измерения за пределами земно атмосферы показали, что на площадь 1 м$^2$, расположенную перпендикулярно солнечным лучам, ежесекундно поступает 1,37 кВт энергии. Эта величина практически не меняется в течении длительного промежутка времени, поэтому она получила название солнечной постоянной. Максимум солнечного излучения приходится на оптический диапазон.
2. Что понимают под светимостью Солнца? Чему она равна?
Светимость Солнца, или полное количество энергии, излучаемое Солнцем по всем направлениям в единицу времени, определим следующим образом: величину солнечной постоянной умножим на площадь сферы с радиусом $r$ в одну атмосферную единицу $(1\, а.е. = 149.6·10^5\, м).$ Она получается равно:
3. Какие химические элементы являются преобладающими для Солнца?
Анализ спектральных линий показал, что преобладающим элементом на Солнце является водород — на его долю приходится свыше 70% массы Солнца, около 25% приходится на гелий и около 2% на другие элементы.
4. Опишите внутреннее строение Солнца.
- Солнечное ядро.
- Зона лучистого равновесия.
- Конвективная зона Солнца.
5. На какие зоны условно подразделяются недра Солнца? Какие процессы происходят в каждой из этих зон?
В центре Солнца находится ядро. На расстояниях до 0.3 радиуса от центра создаются условия, благоприятные для протекания термоядерных реакций слияния атомов лёгких химических элементов в атомы более тяжёлые. Из ядер водорода образуется гелий. Выделяющаяся энергия поддерживает излучение Солнца. Выделяющаяся энергия через слои, окружающие центральную часть звезды, передаётся наружу. В области 0.3 до 0.7 радиуса от центра Солнца находится зона лучистого равновесия энергии, где энергия распространяется через поглощение и излучение $γ$-квантов.
На протяжении последней трети радиуса Солнца находится конвективная зона. Здесь энергия передаётся не излучением, а посредством конвекции (перемешивания). Конвективная зона простирается практически до самой видимой поверхности Солнца — фотосферы.
6. Что является источником солнечной энергии?
В солнечном ядре протекают термоядерные реакции. Из ядер водорода образуется гелий. Для образования одного ядра гелия требуется 4 ядра водорода. На промежуточных стадиях образуется ядра тяжёлого водорода (дейтерия) и ядра изотопа $\mathrm
Источник
В недрах Солнца
Солнце состоит главным образом из водорода и гелия. Глубоко под наружным сверкающим покровом светила царит температура, равная примерно 13 миллионам градусов. При таких условиях солнечное вещество не может быть похожим на обычный газ. Бешено мчащиеся и сталкивающиеся атомы вдребезги разбиваются. Получается плотное скопище осколков атомов-атомных ядер и электронов. Эту смесь физики называют плазмой.
В глубинах Солнца ядра атомов водорода — протоны — нередко налетают друг на друга. Порой они сталкиваются с сильного разгона. Но, несмотря на огромную температуру и, следовательно, высокие скорости теплового движения, лишь в редчайших случаях (раз в несколько миллиардов лет) столкнувшиеся протоны получают способность пробить броню взаимного электрического отталкивания.
Любопытно отметить, что такие события происходят не по законам обычной механики, которую вы изучаете в средней школе. Тесное сближение протонов оказывается возможным, вопреки традиционным представлениям «классической» физики. Здесь выходит на сцену квантовая механика — наука о движении и взаимодействии мельчайших материальных частиц. По законам квантовой механики, атомные ядра приобретают способность как бы «проскальзывать» через электрическую броню, преодолевать ее, даже не имея для этого достаточного, согласно представлениям классической физики, запаса энергии.
Представьте себе двух людей, которые, спеша друг к другу, перепрыгивают каждый через десятиэтажный дом, стоящий на пути. Нечто подобное происходит в микромире со сталкивающимися атомными ядрами (правда, в редчайших случаях). Это, пожалуй, один из самых удивительных парадоксов микромира. И именно благодаря ему, оказывается, светит Солнце! Вот как протекают реакции в недрах светила. В один прекрасный момент случайно, но с неизбежностью, присущей случаю, два протона сближаются друг с другом. В среднем раз в 14 миллиардов лет одни из протонов такой пары, не успев отскочить, преобразуется в нейтрон. Слившиеся нейтрон и протон образуют ядро тяжелого водорода — дейтон. При этом испускаются новые частицы — легкий положительно заряженный позитрон и почти неуловимое нейтрино. Стоит заметить, что существование нейтрино — удивительных частиц, не имеющих ни массы покоя, ни заряда и движущихся всегда со скоростью света,- вначале было предсказано физиками-теоретиками и только впоследствии доказано на опыте в результате сложных и тонких экспериментальных исследований. Любопытно и другое: неуловимые нейтрино уносят, оказывается, довольно значительную часть энергетического богатства Солнца. На их долю приходится около пяти процентов энергии солнечного излучения.
Итак, два протона в недрах Солнца сливаются воедино.
С каждой парой солнечных протонов подобное превращение совершается невообразимо редко. Но так как протонов в глубинах светила неисчислимые миллиарды, то «очередь» для все новых реакций наступает непрерывно, и поэтому ядерный синтез разворачивается в громадных объемах солнечной плазмы.
Образовавшиеся ядра тяжелого водорода недолго живут в недрах Солнца. Меньше чем через 6 сек. они присоединяют к себе еще по одному «вольному» протону и превращаются в ядра легкого гелия, а те, проплутав в глубинах Солнца в среднем миллион лет, встречаются друг с другом, чтобы слиться и образовать ядро обычного гелия. При этом отщепляются два протона, оказавшиеся «лишними».
Водород через три этапа попарных ядерных взаимодействий превращается в гелий. Из легких ядер возникают более тяжелые, из менее прочных — более прочные. Каждая из трех ступеней процесса сопровождается выделением солидной порции энергии, которая ускоряет частицы или испускается в виде гамма-лучей.
Описанная цепочка солнечных реакций синтеза носит название протонно-протонного цикла.
По мнению большинства ученых, именно этим способом наше светило вырабатывает подавляющую долю своего лучистого богатства. Вместе с тем в недрах Солнца идут и другие реакции — так называемого углеродного цикла.
Дело в том, что в составе солнечного вещества, видимо, присутствуют ничтожные примеси атомных ядер углерода с атомным весом 12. Они могут служить своего рода посредниками преобразования протонов в ядра гелия. Вот как разворачиваются события.
В среднем раз в 13 миллионов лет быстрый протон проникает в ядро углерода-12 и образует ядро азота-13, который приблизительно через 14 мин. претерпевает радиоактивный распад, излучая позитрон и нейтрино и превращаясь в ядро углерода-13. Примерно через 2,7 миллиона лет ядро углерода-13 захватывает второй протон, что приводит к возникновению устойчивого ядра азота-14. Это ядро в среднем раз в 32 миллиона лет способно захватить третий протон и преобразоваться в ядро кислорода-15, которое очень быстро (в среднем через 3 мин.) выбрасывает позитрон и нейтрино, чтобы превратиться в ядро азота-15. Наконец, 100 тысяч лет спустя ядро азота-15 захватывает четвертый протон, выбрасывает ядро гелия и превращается в ядро углерода-12, с которого и началась вся цепочка реакций.
Внимательно приглядевшись к этой последовательности реакций, вы убедитесь, что углеродные ядра в ней не расходуются. Зато в результате цикла 4 протона превращаются в ядро гелия. Другими словами, энергетический итог получается точно такой же, как и в протонно-протонном цикле. Итог этот колоссален. Синтез каждого грамма гелия сопровождается выделением 175 тысяч квт-ч энергии.
Поддерживая огромную температуру в недрах светила, энергия ядерного синтеза не дает затухнуть порождающему ее грандиозному солнечному пожару и мощными лучистыми потоками вырывается наружу.
Надо подчеркнуть, что слияние атомных ядер в недрах Солнца имеет некоторое сходство с обыкновенным горением. Мы поджигаем спичкой кучу хвороста, и она пылает, пока не истлеет последняя ветка. На Солнце же «топливо» ядерное. Оно поджигается высокой температурой солнечных глубин, затем цепочками попарных ядерных взаимодействий захватываются большие массы вещества, выделяющаяся огромная энергия поддерживает высокую температуру, и «пожар» длится, пока не исчерпается все «горючее».
Такие процессы в физике именуются цепными термоядерными реакциями синтеза. Первая часть слова — «термо» означает, что реакция возбуждается действием теплоты, высокой температуры.
Вы можете спросить, как первоначально возник солнечный термоядерный пожар. Ведь не мог водород «гореть» вечно. Некоторые ученые так отвечают на этот вопрос.
Когда-то в далеком прошлом существовало облако холодной разреженной межзвездной материи. Постепенно под действием силы тяготения оно сгущалось, уплотнялось. Сжатие влекло за собой повышение температуры (по тому же закону, по которому нагревается воздух, сдавленный поршнем велосипедного насоса). Наконец, температура достигла многих миллионов градусов. Вот тогда-то и начал разгораться цепной термоядерный процесс синтеза гелия.
Кстати сказать, термоядерного горючего — водорода — на Солнце колоссальные запасы. И хватит его на срок, который невозможно себе даже представить: примерно на сто миллиардов лет! Добавим еще, что цепные термоядерные реакции синтеза (причем не только гелия, но и других элементов) — не редкость во Вселенной. Именно они дают лучистую энергию звездам. Именно от них берет начало длинная вереница энергетических преобразований, вливающих свет, тепло и жизнь во все существующее в природе.
Источник
Из чего состоит Солнце
Большинство из нас более-менее понимает, что Солнце – газовый раскаленный шар. Оно нас согревает, но иногда доставляет определенные неудобства. Структура же звезды не столь известна широкой публике. Восполним пробел.
1. Параметры Солнца
Преобразование водорода в гелий – основной процесс в недрах Солнца.
Радиус – около 700 тыс. км (у Земли – 6,4 тыс. км).
Масса – 2 х 10 в 30-ой степени кг (Земля весит «всего» 6 х 10 в 24-ой степени кг).
Температура поверхности – около 5,5 тыс. градусов Цельсия.
Возраст – 4,6 млрд. лет.
Общая продолжительность стадии желтого карлика – около 10 млрд. лет.
Время «доставки» света с Солнца до нашей планеты составляет около 8 минут.
Состав : водород – 70 % массы, гелий – 28 % массы.
2. Внутренний разрез звезды
Центральную часть Солнца составляет ядро . Его размер – около 24-25 % от диаметра светила. Здесь происходит всё самое важное: водород синтезируется в гелий.
Температура в ядре — около 13-17 млн. градусов Цельсия.
Лучистая зона
Самая протяженная зона – начинается с отметки в 25 % и распространяется до 75 % радиуса звезды. Температура тут ниже – до 5-6 млн. градусов.
Область прозрачна для излучения. Именно тут фотоны многократно поглощаются и переизлучаются по пути наружу. Процесс длительный, поэтому одна частица света, чтобы выбраться из Солнца, может потратить на это 150-200 тыс. лет.
Область конвекции
Снижение температуры до 1-2 млн. градусов приводит к непрозрачности участка для излучения. Перенос энергии возможен только за счет конвекции . Эта зона ответственна за различные активности Солнца: появление темных пятен, факельных областей.
Так как звезда не твердая, скорость ее оборота вокруг оси различается на экваторе (25 дней) и полюсах (38 дней).
3. Внешняя сторона Солнца
Фотосфера
По сути, это видимая обычному зрителю часть светила. Представляет своего рода поверхность. Толщина слоя маленькая – не более 300 км. Колебания температуры составляют от 5 до 6 тыс. градусов.
Хромосфера
Невооруженным глазом не видна, но при солнечном затмении проявляет себя как некий ореол вокруг Солнца. Слой достаточно широкий – до 10 тыс. км. Очень хорошо прогревается плазмой, исходящей с поверхности светила. Температура варьируется от 5-10 тыс. градусов в нижней области до миллиона градусов.
Корона
Очень разреженная часть звезды. В лабораторных условиях физики не способны создать вакуум, который будет разреженнее солнечной короны. Температура этой зоны высокая – около миллиона градусов. Внешний вид короны не стабилен и постоянно меняется.
Солнечный ветер
По мере удаления от Солнца корона постепенно охлаждается и превращается в так называемый звездный ветер.
Он представляет собой поток частиц водорода , которые двигаются с огромной скоростью ( 400 км/сек и выше ) и имеют высокую температуру (100 тыс. градусов). Магнитное поле Земли практически полностью поглощает это излучение.
Как видим, Солнце – это не какой-то статичный объект, состоящий из однородной массы. Оно имеет сложную структуру, как внешнюю, так и внутреннюю. Чем лучше мы его будем понимать, тем проще будет прогнозировать его поведение.
Источник
Краткий очерк о жизни нашего Солнца
Солнце – наш источник тепла, энергии и света. Мы не можем смотреть на него без специальных защитных устройств, и всем нам оно кажется ярким лучистым шаром, но какое оно на самом деле? Долгое время все астрономы считали, что оно идеально. Только Галилео Галилей смог в свой самодельный телескоп увидеть, что даже у Солнца есть пятна, и предположил, что оно имеет очень сложную слоистую структуру.
Солнце считается звездой в «самом расцвете сил». Пусть это и маленький, ничем не примечательный жёлтый карлик, и по сравнению с другими массивными звёздами оно выглядит, как маленькая горошина рядом с баскетбольным мячом, зато оно относительно спокойное и долгоживущее – за всё время существования подобных ему звёзд жизнь не просто может успеть зародиться и сформироваться, но и даже стать разумной. Так, например, самые крупные голубые гиганты сжигают все свои запасы ядерного топлива всего за 10-20 миллионов лет, а это лишь несколько мгновений по сравнению с продолжительностью жизни жёлтых карликов – Солнцу уже примерно 4,5 млрд лет, и оно проживёт ещё столько же перед тем, как сойти с главной последовательности, но у нас времени осталось всё же намного меньше.
История Солнца началась около 4,5-5 млрд лет назад. Взорвалась сверхновая звезда. После этого взрыва немыслимой мощности взрывная волна прокатилась по всему «близлежащему» космическому пространству, и на её пути ей встретилось молекулярное облако. От столкновения с ней оно распалось, образовав кольца газа и пыли, а дальше уже всё дело было во власти гравитации: вещество в облаке начало сжиматься и уплотняться, а в центре этого молекулярного облака, когда набралось достаточное количество вещества для зажжения ядерного пламени, родилось пылающее сердце Солнечной системы – наша звезда. Её владения представляют собой форму пузыря – гелиосферу – это область околосолнечного пространства, в которой плазма солнечного ветра движется относительно Солнца со сверхзвуковой скоростью. Солнечный ветер (поток заряженных солнечных частиц, излучаемых солнцем) защищает нас от галактического излучения и, пожалуй, край гелиосферы, до которого он доносится, можно назвать границей нашего дома — Солнечной системы. Граница находится далеко за орбитой Плутона – по разным оценкам это расстояние составляет от 130 до 230 а.е.
Солнце, которое мы так часто воспеваем в произведениях искусства, на самом деле – гигантская термоядерная «печка», состоящая из водорода (≈73 % от массы и ≈92 % от объёма), гелия (≈25 % от массы и ≈7 % от объёма) и других элементов с меньшей концентрацией: железа, никеля, кислорода, азота, кремния, серы, магния, углерода, неона, кальция и хрома.
Сейчас в солнечном ядре идут термоядерные реакции превращения водорода в гелий. Каждую секунду в ядре нашей звезды около 4 миллионов тонн вещества превращается в лучистую энергию, которой мы все обязаны своими жизнями. Посмотрим же на Солнце изнутри. Чтобы подняться от раскалённого ядра до поверхности, той самой энергии, дающей нам тепло, свет и жизнь, понадобится миллион лет. Добравшись до поверхности, эта энергия достигает Земли примерно за 8,5 минут.
Жёлтая поверхность Солнца, которую мы видим, — это фотосфера. Её температура – почти 6 000 С. Как она выглядит? Кипящий горячий, более лёгкий, газ поднимается на поверхность, а остывший, более тяжелый, – опускается. Каждый видимый пузырь размером с примерно Московскую область!
Помимо этих пузырей мы видим пятна, которые периодически появляются на Солнце. Они холоднее, чем остальная фотосфера. Одно такое пятно может быть размером с Юпитер и даже больше. Пятна могут появляться и исчезать, могут существовать группами или по одиночке. Они отражают магнитную активность нашей звезды, т.е. они показывают, где силовые линии вырываются наружу, и где снова входят обратно. Солнце выбрасывает широкие энергетические петли. Каждые 11 земных лет магнитные полюса меняются, а в середине этого цикла Солнце находится в энергетическом максимуме.
Поскольку Солнце не имеет твёрдой поверхности, то при его вращении вещество его вращается по-разному – так, на экваторе вещество движется быстрее, чем на полюсах, поэтому и само магнитное поле выглядит искажённым – отсюда и возникают солнечные пятна. Выплёскиваемая плазма на высоту около 50 000 км образует собой дуги, повторяя контур магнитных силовых линий. Если выброс более мощный, то вещество, вырывающееся из недр Солнца, уже имеет форму струй – их высота может достигать 100 000 км.
Внешняя атмосфера Солнца – корона , её температура равна двум миллионам градусов. У короны, можно сказать, свой «танец»: колебания на поверхности Солнца отражаются на поверхности наверху. Но почему корона такая горячая? В самом сердце Солнца – в его ядре температура равна 15 млн градусам! На поверхности — всего 6000, а откуда на короне взялись 2 миллиона градусов? Вероятная причина кроется в магнитной энергии.
Солнце пульсирует, подобно гигантскому сердцу, и во время этих пульсаций его форма меняется, поэтому оно не имеет идеальную форму шара.
Реактивные струи раскалённого газа очень мощные под его поверхностью, они создают гигантские вихри и смерчи. Они вращаются на скорости 500 000 км/ч! Эти вихри и передают энергию от ядра, где протекают термоядерные реакции, к его поверхности.
Но Солнце постепенно разогревается и увеличивает свою светимость по мере того, как расходует внутренние запасы своего топлива. Так, примерно через 1 миллиард лет оно будет ярче на 11 %, чем сейчас, что приведёт к существенным климатическим изменениям, которые «преобразят» Землю до неузнаваемости. Температура на поверхности Земли существенно повысится, вода начнёт испаряться, и атмосфера из-за этих паров станет более плотной, что приведёт к развитию парникового эффекта. Живые существа могут спастись только в глубинах морей и океанов. Так что у нас есть 1 млрд лет на то, чтобы найти себе новый дом. Но на 11 % Солнце не остановится, оно будет продолжать «набирать обороты», и уже через 3,5 млрд лет его яркость возрастёт на 40 %! Посмотрите на Венеру – жара в +460 С, парниковый эффект, а на поверхности этой знойной планеты можно спокойно расплавить оловянные ложки или свинцовые пули. Почти так же будет выглядеть Земля к этому времени – раскалённый безжизненный шар, опустошённый зноем и огнём. К этому времени все земные формы жизни будут уничтожены.
По мере того как водородное топливо в солнечном ядре будет выгорать, его внешняя оболочка будет расширяться, а ядро — сжиматься и нагреваться.
Когда Солнце достигнет возраста 12 млрд лет, водород в ядре кончится, а образовавшийся из него гелий, ещё неспособный в этих условиях к термоядерному горению, станет сжиматься и уплотняться из-за прекращения ранее поддерживавшего его «на весу» потока энергии из центра. Горение водорода будет продолжаться лишь в тонком внешнем слое ядра. Солнце станет нестабильным и будет расширяться, сойдёт с главной последовательности, и превратится в красного гиганта. Меркурий и Венера будут поглощены Солнцем и полностью уничтожены в его недрах, а насчёт Земли мнения учёных разделились: кто-то считает, что нашу планету постигнет та же участь – быть «съеденной» Солнцем, а кто-то предполагает, что внешние оболочки звезды лишь коснуться её поверхности. В таком случае оставшаяся атмосфера будет сорвана солнечным ветром, оставив лишь раскалённый шар, некогда бывший домом всем, кого мы знаем.
В таком относительно спокойном состоянии Солнце проживёт ещё около 10 миллионов лет. Когда температура в ядре достигнет свыше 100 млн С, произойдёт гелиевая вспышка, и начнётся другая термоядерная реакция синтеза углерода и кислорода из гелия. Солнце, получившее новый источник энергии, уменьшится в размере, а потом, когда запасы гелия иссякнут, повторится снова бурное расширение внешних оболочек звезды. Страшно представить, что будет твориться с престарелым Солнцем! Размер его будет нестабильным, светимость его будет постоянно меняться – бурные вспышки начнут чередоваться с временным потускнением, а во время этих мощных вспышек его светимость будет превышать современный уровень в 5200 раз! Определённо, к Солнцу лучше и близко не подлетать! Такие «звёздные конвульсии» будут длиться, пока эти пульсации не сбросят внешние оболочки. Всё, что останется от нашего Солнца – красивая планетарная туманность с белым карликом в центре – горячим и плотным объектом размером с Землю – это ядро, некогда бывшее сердцем Солнца. Этот белый карлик будет иметь температуру поверхности 120 000 С и светимость его будет составлять 3500 солнечных, но в течение многих миллионов и миллиардов лет он постепенно будет остывать и угасать, а когда совсем остынет, то погаснет и станет чёрным карликом, бороздящим просторы Вселенной.
Источник