Самая холодная зона солнца

Внутреннее строение солнца

Внутреннее строение Солнца можно условно разделить на три зоны по характеру процессов, которые связаны с выделением и передачей энергии.

Солнечное ядро

Ядро – это центральная часть звезды. Оно имеет радиус 150 – 175 тыс. км, что составляет 20 – 25% солнечного радиуса. Ядро, по сути, является термоядерным реактором, ибо реакции такого типа в нём и происходят. Плотность ядра в 150 раз превышает плотность воды, а температура центра его больше 14 000 000° К. Скорость вращения звезды вокруг своей оси в ядре заметно выше, нежели на поверхности. Каждую секунду посредством термоядерной реакции в излучение обращаются 4,26 млн. тонн вещества. Но топлива солнечной кочегарки достаточно для нескольких миллиардов лет работы.

Зона лучистого переноса

В этой зоне перенос энергии происходит главным образом с помощью излучения и поглощения фотонов. При этом направление каждого конкретного фотона, излучённого слоем плазмы, никак не зависит от того, какие фотоны плазмой поглощались, поэтому он может как проникнуть в следующий слой плазмы в лучистой зоне, так и переместиться назад, в нижние слои. Из-за этого промежуток времени, за который многократно переизлучённый фотон (изначально возникший в ядре) достигает конвективной зоны, может измеряться миллионами лет. В среднем этот срок составляет для Солнца 170 тыс. лет

Конвективная зона

Следующую, внешнюю, область Солнца занимает конвективная зона. Ближе к поверхности Солнца температуры и плотности вещества уже недостаточно для полного переноса энергии путём переизлучения. Возникает вихревое перемешивание плазмы, и перенос энергии к поверхности (фотосфере) совершается преимущественно движениями самого вещества.

С одной стороны, вещество фотосферы, охлаждаясь на поверхности, погружается вглубь конвективной зоны. С другой стороны, вещество в нижней части получает излучение из зоны лучевого переноса и поднимается наверх, причём оба процесса идут со значительной скоростью. Такой способ передачи энергии называется конвекцией, а подповерхностный слой Солнца толщиной примерно 200 000 км, где она происходит, — конвективной зоной. По мере приближения к поверхности температура падает в среднем до 5800 К, а плотность газа до менее 1/1000 плотности земного воздуха.

Источник

Вселенная сегодня

Новости космоса и астрономии

Внутренняя часть Солнца. Фотография предоставлена: NASA.

Отсюда с Земли, Солнце похоже на гладкий шар огня, и до открытия солнечных пятен космическим кораблем Galileo, астрономы даже полагали, что оно было идеальным шаром без дефектов. Тем не менее, мы теперь знаем, что Солнце, как Земля, на самом деле состоят из нескольких слоев, каждый из которых служит своей собственной цели. Это такая структура Солнца, которая приводит в действие эту массивную печь и поставщика всей земной жизни и энергии.

Из чего состоит Солнце?

Если бы вы могли разделить Солнце на части, и сравнить эти разные элементы, вы бы обнаружили, что Солнце состоит из водорода (74%) и гелия (около 24%). Астрономы считают, что любой элемент тяжелее гелия будет металлом. Оставшееся количество Солнца составляет железо, никель, кислород, кремний, серу, магний, углерод, неон, кальций и хром. Фактически, Солнце имеет 1% кислорода; а все остальное — это оставшийся 1%.

Остатки сверхновой NR 0509-67.5. Сверхновые предоставляли более тяжелые элементы в Солнце. Фотография предоставлена: NASA/ESA/CXC.

Откуда появились эти элементы? Водород и гелий появились от Большого Взрыва. В ранние моменты Вселенной, первый элемент, водород, образовался из супа элементарных частиц. Давление и температуры были все еще сильны, что вся Вселенная имела одни и те же условия как в ядре звезды. Водород синтезировался в гелий, пока Вселенная не охладилась достаточно, что эта реакция не могла бы больше происходить. Соотношения водорода и гелия, которые мы видим во Вселенной в наши дни, было создано в эти первые моменты после Большого Взрыва.

Другие элементы были созданы в других звездах. Звезды постоянно синтезируют водород в гелий в своих ядрах. Как только водород в ядре выработается, они переключатся на ядерный синтез все более и более тяжелых элементов, как гелий, литий, кислород. Большинство более тяжелых металлов, которые мы видим в Солнце образовались в других звездах в конце их жизней.

Самые тяжелые элементы, как золото и уран, образовались, когда звезды, во много раз более массивные нашего Солнца, детонировали во взрывах сверхновых. В доли секунды, когда образовывалась черная дыра, элементы сталкивались вместе при интенсивном тепле и давлении для образования самых тяжелых элементов. Взрыв распространил эти элементы по всему региону, где они могли бы способствовать образованию новых звезд.

Наше Солнце состоит из элементов, оставшихся от Большого Взрыва, элементов, образовавшихся из умирающих звезд, и элементов, созданных в сверхновых. Это довольно удивительно.

Цепочка протон-протон, которая питает ядерный синтез внутри ядра нашего Солнца. Предоставлено: Ian O’Neill.

Хотя Солнце главным образом просто шар из водорода и гелия, оно на самом деле разбито на отчетливые слои. Слои Солнца были созданы, потому что температуры и давления увеличиваются, когда вы движетесь к центру Солнца. Водород и гелий ведут себя по-разному при различных изменяющихся условиях.

Давайте начнем с самого внутреннего слоя Солнца, ядра. Это самый центр Солнца, где температуры и давления такие высокие, что может происходить ядерный синтез. Солнце объединяет водород в атомы гелия, и эта реакция отдает свет и тепло, которые мы видим здесь на Земле. Плотность ядра в 150 раз больше плотности воды, а температуры, как полагают, доходят до 13,600,000 градусов Кельвина.

Астрономы полагают, что ядро Солнца простирается от центра до около 0.2 солнечного радиуса. И внутри этого региона температуры и давления такие высокие, что атомы водорода разрываются на части для образования отдельных протонов, нейтронов и электронов. При всех этих свободно плавающих частицах Солнце способно преобразовывать их в атомы гелия.

Эта реакция экзотермическая. Это означает, что реакция отдает огромное количество тепла — 3.89 х 10 33 эрг энергии каждую секунду. Давление света всей этой энергии, текущей из ядра Солнца такое, что останавливает его от стягивания внутрь себя.

Массивный выброс корональной массы. Эта фотография показывает размер Земли для сравнения в левом верхнем углу. Предоставлено: NASA / SDO / J. Major.

Радиационная зона Солнца начинается на границе ядра (0.2 солнечного радиуса), и простирается до 0.7 радиуса. Внутри радиационной зоны солнечное вещество достаточно горячее и плотное для того, чтобы тепловое излучение передавало тепло ядра за пределы Солнца.

Ядро Солнца — это там, где происходят реакции ядерного синтеза — протоны сливаются вместе для создания атомов гелия. Эта реакция производит огромное количество гамма-излучения. Эти фотоны энергии испускаются, поглощаются и затем испускаются снова различными частицами в радиационной зоне.

Траектория, которая требуется фотонам, называется «случайное блуждание». Вместо движения прямого луча света, они путешествуют зигзагами, в конечном счете достигая поверхности Солнца. Фактически, отдельному фотону может потребоваться 200,000 лет, чтобы совершить путешествие через радиационную зону Солнца. Поскольку они переходят от частицы к частице, фотоны теряют энергию. Это хорошо, так как мы бы не хотели получать только гамма-излучение, струящееся из Солнца. Как только эти фотоны достигают космоса, им требуется примерно 8 минут, чтобы достичь Земли.

Большинство звезд будут иметь радиационные зоны, но их размер зависит от размера звезды. Маленькие звезды будут иметь гораздо более маленькие зоны, а конвективная зона займет большую часть звезды. Самые маленькие звезды могут не иметь радиационной зоны вовсе, при конвективной зоне, достигающей всего пути до ядра. Самые большие звезды имели бы обратную ситуацию, где радиационная зона занимает весь путь до поверхности.

Снаружи радиационной зоны есть еще слой, называемый конвективная зона, где тепло изнутри Солнца переносится в столбах горячего газа.

Большинство звезд имеют конвективную зону. В случае Солнца, она начинается от 70% солнечного радиуса до внешней поверхности (фотосферы). Газ глубже внутри звезды нагревается так, что поднимается, как пузыри воска в лавовой лампе. Когда он достигает поверхности, газ теряет часть тепла, охлаждается и погружается обратно к центру, чтобы забрать больше тепла. Еще пример — горшок кипящей воды на печи.

Солнечный протуберанец и солнечное пятно 1271. Предоставлено: John Chumack.

Поверхность Солнца выглядит гранулированной. Эти гранулы являются столбами горячего газа, которые несут тепло к поверхности. Они могут быть более 1000 км в ширину, и обычно длятся 8-20 минут до рассеивания.

Астрономы полагают, что звезды с низкой массой, как красные карлики, имеют конвективную зону, которая распространена до ядра. В отличие от Солнца, они не имеют радиационной зоны вовсе.

Слой Солнца, который мы можем видеть с Земли, называется фотосфера. Ниже фотосферы, Солнце становится непрозрачным для видимого света, и астрономы должны использовать другие методы для зондирования внутренней части. Температура фотосферы около 6000 Кельвин, и отдает желто-белый свет, который мы видим.

Выше фотосферы находится атмосфера Солнца. Возможно, самая эффектная — это корона, которая видна во время полного солнечного затмения.

Схема Солнца. Предоставлено: NASA.

Это схематическое изображение Солнца, изначально разработанное NASA для образовательных целей.

• Видимое, инфракрасное и ультрафиолетовое излучение (Visible, IR and UV radiation) — Свет, который мы видим приходящим, виден, но если вы закроете глаза и просто почувствуете тепло, вот инфракрасное излучение. А свет, который дает вам загар — это ультрафиолетовое излучение. Солнце производит все эти длины волн одновременно.
• Фотосфера 6000 Кельвин (Photosphere 6000 K) — Фотосфера — это поверхность Солнца. Это регион, где свет изнутри наконец достигает космоса. Температура 6000 Кельвин — то же, что 5700 градусов Цельсия.
• Радио эмиссия (Radio emissions) — В дополнение к видимому, инфракрасному и ультрафиолетовому, Солнце также отдает радио эмиссию, которая может быть обнаружена радио телескопом. Эта эмиссия растет и падает в в зависимости от числа солнечных пятен на поверхности Солнца.
• Корональная дыра (Coronal Hole) — Это регионы на Солнце, где корона холоднее, темнее и имеет менее плотную плазму.
• 2100000 Кельвин — Это температура радиационной зоны Солнца.
• Конвективная зона / Турбулентная конвекция (Convective zone/Turbulent convection) — Это регион Солнца, где тепло от ядра передается через конвекцию. Теплые столбы плазмы поднимаются к поверхности, выпускают свое тепло, а затем падают обратно, чтобы нагреться снова.
• Корональные петли (Coronal loops) — Это петли плазмы в атмосфере Солнца, которые следуют по магнитным линиям. Они выглядят как большие арки, растягивающиеся от поверхности Солнца на сотни тысяч километров.
• Ядро (Core) — Это сердце Солнца, где температуры и давления такие высокие, что может происходить ядерный синтез. Вся энергия, исходящая от Солнца, происходит из ядра.
• 14,500,000 Кельвин. Температура ядра Солнца.
• Радиационная зона (Radiative Zone) — Регион Солнца, где энергия может быть передана только через радиацию. Одному фотону может понадобиться 200,000 лет, чтобы достичь из ядра через радиационную зону до поверхности и в космос.
• Нейтрино (Neutrinos) — Нейтрино являются частицами почти без массы, испускаемыми из Солнца как часть реакций ядерного синтеза. Миллионы нейтрино проходят через ваше тело каждую секунду, но они не взаимодействуют, так что вы не чувствуете их.
• Хромосферная вспышка (Chromospheric Flare) — Магнитное поле Солнца может закручиваться, а затем резко обрываться в различных конфигурациях. Когда это происходит, могут быть мощные рентгеновские вспышки, выделяющиеся с поверхности Солнца.
• Петля магнитного поля (Magnetic Field Loop) — Магнитное поле Солнца простирается над его поверхностью, и может быть видно, потому что горячая плазма в атмосфере следует по магнитным линиям.
• Солнечные пятна (Spot– A sunspot) — Это области на поверхности Солнца, где линии магнитного поля пронизывают поверхность Солнца, и они относительно холоднее, часто в форме петли.
• Энергичные частицы (Energetic particles) — Там могут быть энергичные частицы, испускаемые с поверхности Солнца для создания солнечного ветра. В солнечных бурях, энергичные протоны могут ускоряться почти до скорости света.
• Рентгеновские лучи (X-rays) В дополнение к длинам волн, которые мы можем видеть, есть невидимые рентгеновские лучи, появляющиеся из Солнца, особенно во время вспышек. Атмосфера Земли защищает нас от этого излучения.
• Яркие пятна и недолгие магнитные регионы (Bright spots and short-lived magnetic regions) — Поверхность Солнца имеет гораздо более яркие и более тусклые пятна, вызванные изменением температур. Температуры меняются от постоянно сдвигающегося магнитного поля.

Название прочитанной вами статьи «Части Солнца».

Источник

Внутреннее строение Солнца

Знаете ли вы, каково внутреннее строение Солнца? То, что мы можем разглядеть на дневном небе невооруженным глазом – всего лишь часть внешней оболочки звезды. Под ней скрываются самые мощные в Солнечной системе термоядерные процессы и слои плазмы, чья температура достигает десятки миллионов градусов Цельсия. Благодаря этому Солнце является главным поставщиком энергии для Земли и других планет в нашей звездной системе.

Во внутреннем строении Солнца наблюдается четкая зональность. Массивное солнечное ядро является эпицентром термоядерных реакций. В зоне лучистого переноса происходит теплопередача между нижними и верхними слоями солнечной плазмы. Конвективная зона отделяет внутреннюю оболочку Солнца от его атмосферы и передает тепловую энергию путем перемешивания плазменных потоков.

В статье мы опишем подробно каждую из трех зон и процессы, происходящие в них.

Солнечное ядро

Солнечное ядро – самое горячее и активное место в нашей звездной системе. Его размеры занимают четвертую часть всего Солнца, а плотность составляет 150*10 3 кг/куб. м. Температура в центре солнечного ядра достигает 14*10 6 градусов Цельсия.

Ежесекундно путем термоядерных реакций в солнечном ядре образуется порядка 5 млн. тонн элементарных частиц. Это коротковолновые гамма-кванты огромной энергетической мощности. Энергия, возникающая при их образовании, нагревает все остальные оболочки Солнца и распространяется за его пределы в виде света и потоков солнечного ветра. Земля поглощает ничтожно малую часть от всего солнечного излучения – 0,5*10 -9 .

По подсчетам исследователей, водородного топлива для поддержания процессов энерговыделения в Солнце хватит еще на 6,5 миллиардов лет. После окончания запасов водорода звезда перейдет в фазу красного карлика – его оболочки многократно увеличатся в размере, поглотив внутренние планеты Солнечной системы, а ядро разогреется до 100 млн. градусов Цельсия. По окончанию этого периода жизни звезды ее внешние оболочки образуют планетарную туманность, а ядро окончательно оформится в белого карлика, который будет постепенно угасать.

Зона лучистого переноса

В зоне лучистого переноса происходит дальнейшее перераспределение энергии термоядерных реакций ядра. Плотность среднего слоя мало отличается от плотности ядра Солнца. Поэтому перенос энергии может происходить лишь в виде поглощения и излучения квантов электромагнитного излучения. Переизлучение фотонов в зоне лучистого переноса происходит многократно, поэтому первичный ядерный фотон добирается до конвективной зоны за несколько сотен тысяч лет.

Температура в зоне лучистого переноса снижается от 7 до 2 млн. градусов Цельсия по мере удаления от центра.

Конвективная зона

Конвективная зона является границей между внутренними и внешними оболочками Солнца. Плотность частиц здесь гораздо ниже, чем в ядре, и поэтому перераспределение тепла происходит путем перемешивания потоков охлажденной у поверхности и нагретой на глубине плазмы. Данное явление называется конвекцией. Именно оно обусловливает развитие динамо-эффекта и образование магнитного поля Солнца.

Перемешивание плазмы в конвективной зоне – процесс упорядоченный. Она образует шестигранные столбы циркулирующего вещества. Их верхушки образуют грануляции на поверхности фотосферы – нижнего слоя солнечной атмосферы, а некоторые супергранулы заканчиваются в пределах короны Солнца. Скорость конвекции плазмы колеблется от 1 м/с до 1 км/с по мере приближения к атмосфере звезды. В слоях атмосферы звезды перераспределение энергии снова происходит путем лучистого переноса.

Конвективная зона – самая холодная среди внутренних зон Солнца — температура не превышает 5400° С. Толщина области конвекции — около 2*10 5 км. Здесь начинает происходить процесс ионизации атомов водорода и гелия, которые, проходя через оболочки атмосферы и полностью теряя электроны, превращаются в потоки солнечного ветра. Именно они обуславливают космическую погоду, а также северные сияния и магнитные бури на Земле.

Источник