Внутреннее строение Солнца
Энергия, выделившаяся в ядре Солнца, переносится наружу с помощью излучения и конвекции. Полное время, которое требуется энергии, выделившейся в ядре, чтобы достигнуть поверхности Солнца, составляет около 10 млн лет. Так что тот свет и тепло, которые согревают и освещают нашу Землю сегодня, были выработаны в термоядерных реакциях в центре Солнца 10 млн лет назад.
Конечно, астрономы ищут способы заглянуть внутрь Солнца и проверить теоретические представления о его строении. На этом пути им на помощь пришли физики, изучающие элементарные частицы. Так при термоядерных реакциях синтеза гелия из водорода наряду с выделением энергии происходит рождение элементарных частиц — нейтрино. В отличие от излучения, нейтрино практически не задерживается веществом. Рождаясь в недрах Солнца и распространяясь со скоростью, близкой к скорости света, они через 2 с покидают поверхность Солнца и через 8 мин достигают Земли. Для наблюдений солнечных нейтрино был построен специальный нейтринный телескоп, который в течение многолетних наблюдений зарегистрировал ожидаемый поток нейтрино от Солнца. Эти наблюдения окончательно подтвердили правильность теоретических моделей строения Солнца как звезды. Поэтому в полной мере можно использовать полученные результаты для расчётов моделей других звёзд.
Вопросы для самопроверки
1. Чему равна температура в центре Солнца?
2. Каков источник энергии Солнца?
3. Какие частицы образуются в результате термоядерных реакций в центре Солнца?
4. Каким образом энергия из центра Солнца передаётся наружу?
5. Противодействие каких сил определяет равновесие Солнца?
6. Какие наблюдения подтвердили протекание термоядерных реакций синтеза гелия из водорода в центре Солнца?
1. Сколько атомов гелия и нейтрино образуется в Солнце каждую секунду?
2. Учитывая связь между массой и энергией, оцените, какую массу теряет Солнце в виде излучения каждую секунду.
3. Почему химические реакции не могут служить источником энергии Солнца?
Источник
Путешествие в глубь Солнца
Древние представляли себе Солнце небесным телом, состоящим из чистого света и огня. Поэтому-то и спорили последователи Аристотеля, обрушиваясь всеми дозволенными и недозволенными способами на тех, кто видел пятна на сверкающей сфере. С тех пор представления о Солнце претерпели множество изменений. Одни астрономы считали наше светило жидким, расплавленным, другие — твердым, но покрытым океаном клокочущего огня. Были и вовсе удивительные мнения. Вильям Гершель предположил, что солнечный шар холоден, как Земля и остальные планеты, и даже населен живыми существами. Плотный слой облаков защищает их от жгучих лучей огненного океана, окружающего это небесное тело.
Лишь после введения в практику астрономии спектрального анализа (1859—1862 годы) исследователи стали приходить к единому мнению по поводу нашего светила.
Кирхгоф считал Солнце раскаленным шаром очень высокой температуры, который окружен менее горячей газовой атмосферой. Но, чтобы окончательно ответить на вопрос о том, что такое Солнце, следовало прежде всего теоретически построить устойчивую модель. В этой области с начала нашего столетия работали многие выдающиеся математики, астрономы и физики.
Корона Солнца во время солнечного затмения
По современным воззрениям Солнце — раскаленный газовый шар. Границы Солнца указать трудно, потому что, как и у всякой звезды, внешние слои нашего светила представляются чрезвычайно разреженными. Температура поверхности Солнца сравнительно невелика, порядка 6000°C. Если бы нам удалось нырнуть в глубь клокочущей огненной материи с градусником в руках, мы обнаружили бы, что с глубиной температура и давление возрастают. В центре жара поднимается до тринадцати — пятнадцати миллионов градусов! Давление же — до 150—200 миллионов атмосфер. В таких условиях один кубический сантиметр солнечного вещества весил бы на Земле около ста граммов — больше, чем кубик из свинца или платины такого же объема. И все-таки в недрах Солнца — газ.
Высокая температура «разбивает» молекулы газа на атомы, а атомы — на заряженные частицы — ионы. (Этот процесс, как мы помним, называется ионизацией.) А газ, состоящий из заряженных частиц, обладает физическими свойствами, настолько отличающимися от обычного газа, что его принято рассматривать как особое состояние вещества, именуемое плазмой.
Каждую минуту Солнце теряет на излучение около двухсот миллионов тонн массы. Товарные поезда всей европейской части нашего континента не смогли бы свезти этот груз за раз. А ведь так продолжается миллиарды лет. Однако беспокоиться о том, что все наше светило полностью «выгорит», не приходится, поскольку общая масса Солнца примерно 2 000 000 000 000 000 000 000 000 000 тонн. И за все время своего существования оно потеряло на излучение едва ли несколько сотых долей процента своего состава.
Видимую поверхность Солнца называют фотосферой. Это очень условная граница, глубже которой не проникает взор наблюдателя. Фотосфера Солнца окружена раскаленной, светящейся и весьма разреженной атмосферой. Условно ее делят на три части, между которыми тем более нет резких границ: 1. Обращающий слой. 2. Хромосфера. 3. Корона.
Если мы из межпланетной среды начнем приближаться к Солнцу, то даже не заметим момента, когда вторгнемся в пределы солнечной короны. Ослепительное серебристо-жемчужное сияние вокруг диска кажется в годы солнечной активности «растрепанным». Множество языков, с давних времен получивших названия лучей, перьев, опахал, арок и т. д., окружают диск. В годы спокойного Солнца корона сжата у полюсов и вытянута в направлении экватора.
Но представим себе, что, пронизав серебристо-жемчужную солнечную корону, оранжевое кольцо хромосферы, простирающееся на 7—8 тысяч километров, мы попадаем в область фотосферы, являющейся главным источником света Солнца. Нам осталось еще сто — триста километров знакомого пути. Глубже — полная неизвестность. Фотосфера весьма непрозрачна, потому мы и видим край Солнца очерченным так резко.
Но вот пройдена и фотосфера. Мы вступаем в мир формул, длинных математических расчетов и остроумных гипотез. Дальше нас ведет за собой теория.
Путешествие в глубь Солнца
Прежде всего, с ростом глубины должно повышаться и давление. Солнце — газовый шар, состоящий практически из бесчисленного количества частиц (количество частиц, составляющих Солнце, выражается единицей с 56 нулями: 10 56 !). И все эти частицы, подчиняясь закону всемирного тяготения, притягиваются друг к другу. Почему же разреженный газовый шар не съеживается, не «спадает» к центру, а держится в равновесии? Причина заключается в силе, противодействующей тяготению, — силе газовой упругости. Когда обе силы уравновешивают друг друга, газовый шар находится в равновесии.
Колоссальное давление в центре Солнца уравновешивается либо при столь же огромных температурах газовой упругостью, либо величайшей плотностью «упаковки» частиц.
Однако плотность «упаковки» в центрах «нормальных» звезд сравнительно невелика. Помните: кубический сантиметр солнечного вещества из центральной части светила весил всего граммов сто. Значит, упругость газа, необходимая для обеспечения равновесия звезды, должна создаваться высокой температурой. Поддерживать равновесие газового шара помогает и лучистое давление, которое также противодействует гравитационному сжатию. Однако, по сравнению с газовым давлением, его роль в звездах с массой, примерно равной солнечной, невелика.
Вы, наверное, заметили очень большую разницу температур в центре Солнца и на его поверхности. Как же распределяется эта температура внутри звезды? Как она переносится из центра к поверхности? Этот вопрос очень важен для того, чтобы представить себе внутреннее строение Солнца, а следовательно, и внутреннее строение других звезд.
В современной физике известны три способа переноса тепла: теплопроводность, конвекция и лучистый перенос.
По собственному опыту мы знаем, что теплопроводность газа очень невелика. (Потому-то пушистый шерстяной свитер гораздо теплее толстой и плотной брезентовой куртки.) Значит, первый способ переноса тепла, если и не отпадает полностью, то играет не основную роль. Конвекция означает, что более горячие слои перемешиваются с менее горячими. При помощи конвекции охлаждаем мы чай, помешивая его ложечкой в стакане. Теплый воздух, нагретый у отопительной батареи, становится легче холодного и поднимается вверх, уступая свое место слоям, которые еще не успели нагреться. В газовом, вернее плазменном, шаре Солнца перемешивание масс вещества происходит довольно интенсивно, напоминая кипение чайника на плите. Так что конвекция — вполне реальный и имеющий большое значение способ переноса тепла из недр Солнца к поверхности.
Третьим видом переноса тепла является излучение. Представьте себе, что вы в поле холодным днем разложили костер. Ветер относит пламя в сторону. Теплый воздух летит прочь, а лицу все равно жарко. От света жарко, от яркого огня, от углей раскаленных. Это лучи света несут энергию, попадают на кожу лица, рук и заставляют быстрее колебаться молекулы. Вот что такое лучистый перенос. Напомним, что именно благодаря ему мы пользуемся теплом нашего светила и вообще живем на Земле. Внутри звезды лучистая энергия рассеивается свободными электронами или поглощается атомами и тотчас же переизлучается ими дальше. Так, со ступеньки на ступеньку, тепло из внутренних областей раскаленного плазменного шара поднимается на его поверхность и рассеивается в окружающую среду.
Источник
Внутреннее строение Солнца
Мы не можем непосредственно заглянуть внутрь Солнца, позтому представление о его строении получаем только на основе теоретического анализа, используя наиболее обшие законы физики и такие характеристики Солнца, как масса, радиус, светимость.
По современным представлениям, внутреннее строение Солнца слоистое, или оболочечное, оно состоит из ряда сфер, или областей. В центре находится ядро, затем область лучевого переноса энергии, далее конвективная зона и, наконец, слои атмосферы Солнца. К ним ряд исследователей относят три внешние области: фотосферу, хромосферу и корону. Правда, другие астрономы к солнечной атмосфере относят только хромосферу и корону.
Солнце не расширяется и не сжимается, оно находится в равновесии, так как силе гравитации, стремящейся сжать Солнце, препятствует сила газового давлення изнутри. Для оценок представим, что Солнце состоит из двух равных половинок, центры масс которых находятся на расстоянии порядка радиуса Солнца Ro. Считая, что все параметры, характеризующие вешество Солнца, одни и те же в различных его частях, можно, воспользовшись законом Менделеева — Клапейрона, определить давление газа на границе между двумя половинками: p=R*ρ/μ*T где газовая постоянная R = 8,31 Дж/(К*моль), μ — молярная масса вещества, ρ — его плотность и Т — абсолютная температура.
Высокое давление внутри Солнца обусловлено действием вышележащих слоев. Силы тяготения стремятся сжать Солнце. Им противодействует упругость горячего газа и давление излучения, идущие из недр. Эти силы стремятся расширить Солнце. Тяготение, с одной стороны, а упругость газов и давление излучения, с другой — уравновешивают друг друга. Равновесие имеет место во всех слоях от поверхности до центра Солнца. Такое состояние Солнца и других звезд называется гидростатическим равновесием.
В действительности и плотность и температура внутри Солнца меняются с расстоянием от его центра. В расчетах мы положим их равными средним значениям. Средняя плотность солнечного вещества ро =1,4*10 3 кг/м 3 , а так как оно состоит в основном из атомарного водорода, μ= 10 -3 кг/моль. (Однако следует помнить, что внутри Солнца водород ионизован, поэтому молярная масса будет в два раза меньше.)
То, что средняя температура Солнца близка к 8*10 6 К, а на поверхности Солнца она равна 6000 К, означает, что температура Солнца меняется с глубиной. Более точные расчеты показывают, что температура в центре Солнца достигает значения 15 млн. кельвинов, на расстоянии 0,7R температура падает до 10 6 К. Плотность вещества в центре Солнца 1,5*10 5 кг/м3, что более чем в 100 раз выше его средней плотности.
Термоядерные реакции идут наиболее эффективно в центральной области Солнца радиусом, равным 0,3R. Эта область получила название ядра. В более внешних слоях температура не достаточна для протекания термоядерных реакций.
Солнечное вещество в основном состоит из водорода. При огромных давлениях и температурах протоны (ядра водорода) движутся со скоростями в сотни километров в секунду. Внутри Солнца, в его ядре (на расстояниях до 0,3 радиуса от центра) установились условия, благоприятные для протекания термоядерных реакций превращения атомов легких химических элементов в атомы более тяжелых элементов. В результате такой реакции из ядер водорода образуется гелий. Для образования одного ядра гелия требуется 4 ядра водорода.
Ядро имеет радиус не более трети общего радиуса Солнца. Однако в его объеме сосредоточена половина солнечной массы и выделяется практически вся энергия, которая поддерживает свечение Солнца. Но энергия горячего ядра должна как-то выходить наружу, к поверхности Солнца. Существуют различные способы передачи энергии в зависимости от физических условий среды.
Энергия, выделившаяся в ядре Солнца, переносится наружу, к поверхности двумя способами: лучистым и конвективным. В первом случае энергия переносится излучением; во втором — при механических движениях нагретых масс вещества.
Лучистый перенос энергии происходит в ядре и далее вплоть до расстояния (0,6— 0,7) R от центра Солнца, далее к поверхности энергия переносится конвекцией.
Интересен сам механизм лучистого переноса. Гамма-излучение, возникающее при термоядерных реакциях, сразу поглощается атомами окружающего вещества. Атом при этом возбуждается, а затем быстро излучает гамма-квант, переходя в исходное состояние. Излученный атомом квант уже движется в другом направлении. Далее это излучение поглощается и переизлучается другими атомами; направление излучения все время меняется. Таким образом, излучение движется наружу не по прямой вдоль радиуса, а по ломаной, длина которой значительно больше радиуса Солнца. Пройти радиус Солнца по прямой излучение может почти за 2 с, в действительности путь излучения настолько удлиняется, что энергия, переносимая им, выходит наружу за 10 млн. лет. Кроме этого, на своем долгом пути наружу излучение претерпевает такие изменения, что гамма-лучи, которые возникли в центре Солнца, выходят наружу в форме излучения видимого диапазона длин волн.
Конечно, астрономы ищут способы заглянуть внутрь Солнца и проверить теоретические представления о его строении. На этом пути им на помощь пришли физики, изучающие элементарные частицы. Дело в том, что при термоядерных реакциях синтеза гелия из водорода наряду с выделением энергии происходит рождение элементарных частиц — нейтрино. Выяснилось, что в отличие от излучения нейтрино практически не задерживается веществом. Возникая в недрах Солнца и распространяясь со скоростью света, они через 2 с покидают поверхность Солнца и через 8 мин достигают Земли. Если бы удалось измерить этот поток нейтрино от Солнца, то мы смогли бы непосредственно судить о физических процессах, протекающих внутри Солнца.
Для наблюдения солнечных нейтрино советский академик Б. Понтекорво предложил способ их обнаружения по наблюдениям ядер атомов аргона, образующихся при взаимодействии хлора с нейтрино. Для этого был изготовлен большой резервуар объемом 400 м3, наполненный жидким веществом, в состав которого входили атомы хлора. Так как атомы аргона могут образовываться из атомов хлора при их взаимодействии с быстрыми частицами, проникающими из космического пространства, то во избежание этого резервуар поместили в глубокой шахте. Для нейтрино толстый слой Земли не помеха, а космические частицы поглощаются им.
На что же рассчитывали астрономы, ставя такой эксперимент? Ожидаемый у Земли поток солнечных нейтрино легко оценить по солнечной светимости. Так как при образовании одного ядра атома гелия выделяется энергия связи ΔЕ = = 4,3*10 -12 Дж и излучаются два нейтрино, то легко подсчитать число ядер атомов гелия, образующихся в недрах Солнца каждую секунду. Для этого достаточно светимость Солнца I=4*10 26 Вт разделить на энергию связи. Умножая полученное частное на два, найдем число нейтрино, ежесекундно излучаемых Солнцем со всей его поверхности:
Выполнив вычисления, получим 2*10 23 нейтрино/с.
В результате взаимодействия этого потока нейтрино с хлором в резервуаре должно образоваться всего несколько десятков атомов аргона, которые и следует обнаружить химическим путем. Отсюда понятны трудности «вылавливания» этих десятков атомов аргона среди колоссального числа атомов, содержащихся в резервуаре. Исследования последних лет показали, что обнаруженный поток солнечных нейтрино в два-три раза меньше ожидаемого, но это пока не опровергает наших основных представлений о внутреннем строении Солнца. Во многом эти расхождения, определяются изученностью свойств нейтрино (например в последние годы появидись теоретические и экспериментальные указания на отличие массы покоя нейтрино от нуля), а также неопределенностью наших знаний о тонких деталях физических процессов, протекающих в солнечном ядре.
Источник