Сила газового давления солнца

§21.2. Строение Солнца

Как и все звезды, Солнце — раскаленный газовый шар. В основном оно состоит из водорода с примесью 10% (по числу атомов) гелия. Количество атомов всех остальных элементов вместе взятых, примерно в 1000 раз меньше Однако по массе на эти более тяжелые элементы приходится 1—2% массы Солнца.

На Солнце вещество сильно ионизовано, т. е. атомы лишены внешних своих электронов, которые становятся свободными частицами ионизованного газа — плазмы.

Для определения средней плотности солнечного вещества надо массу Солнца поделить на его объем:

это значение соизмеримо с плотностью воды и в тысячу раз больше плотности воздуха у поверхности Земли. Однако в наружных слоях Солнца плотность в миллионы раз меньше, а в центре — в 100 раз больше, чем .

Под действием сил гравитационного притяжения, направленных к центру Солнца, в его недрах создается огромное давление. Если бы вещество внутри Солнца было распределено равномерно и плотность всюду равнялась средней, то рассчитать внутреннее давление было бы легко. Сделаем приближенно такой расчет для глубины, равной половине радиуса.

Сила тяжести на этой глубине будет определяться только притяжением масс, находящихся внутри сферы радиусом l/2R. Объем этой сферы составляет 1/8 от объема всего Солнца, и при постоянстве плотности в нем заключена 1/8М_c. Следовательно, по закону всемирного тяготения гравитационное ускорение на расстоянии 1/2R_c от центра «однородного» Солнца составит:

Сила давления на данной глубине складывается из силы тяжести всех вышележащих слоев. Само же давление будет (численно) равно силе тяжести радиального столбика вещества высотой l/2R, расположенного над площадью S=1 м 2 в рассматриваемой точке. В этом столбике заключена масса

Отсюда получаем, что р = 6,6•10 13 Па.

Согласно газовым законам давление пропорционально температуре и плотности. Это дает возможность определить температуру в недрах Солнца. Для средней плотности солнечного вещества давление в 10 15 Па получится при температуре порядка 5 000 000 К.

Точные расчеты показывают, что в центре Солнца плотность газа составляет около 1,5•10 5 кг/м 3 (в 13 раз больше, чем у свинца!), давление — около 2•10 18 Па, а температура — около 15 000 000 К.

При такой температуре ядра атомов водорода (протоны) имеют очень высокие скорости (сотни километров в секунду) и могут сталкиваться друг с другом, несмотря на действие электростатической силы отталкивания между ними. Некоторые из таких столкновений завершаются ядерными реакциями, при которых из водорода образуется гелий и выделяется большое количество теплоты. Эти реакции являются источником энергии Солнца на современном этапе его эволюции. В результате количество гелия в центральной области Солнца постепенно увеличивается, а водорода — уменьшается. В самом центре Солнца за 4—5 млрд. лет, которые прошли с момента его образования, примерно половина водорода уже превратилась в гелий.

Рис. 74. Схема строения Солнца.

Поток энергии, возникающей в недрах Солнца, передается во внешние слои и распределяется на все большую и большую площадь. Вследствие этого температура солнечных газов убывает по мере удаления от центра Сначала температура уменьшается медленно, а в наружных слоях очень быстро.

В зависимости от значения температуры и характера определяемых ею процессов все Солнце условно можно разделить на 4 области (рис. 74):

1. внутренняя, центральная область (ядро), где давление и температура обеспечивают протекание ядерных реакций, она простирается от центра до расстояния примерно 1/3 R_c;
2. «лучистая» зона (расстояние от 1/3 до 2/3R_c), в которой энергия передается наружу от слоя к слою в результате последовательного поглощения и излучения квантов электромагнитной энергии;
3. конвективная зона — от верхней части «лучистой» зоны почти до самой видимой границы Солнца. Здесь температура быстро уменьшается по мере приближения к видимой границе Солнца, в результате чего происходит перемешивание вещества (конвекция), подобное кипению жидкости в сосуде, подогреваемом снизу;
4. атмосфера, начинающаяся сразу за конвективной зоной и простирающаяся далеко за пределы видимого диска Солнца. Нижний слой атмосферы включает тонкий слой газов, который воспринимается нами как поверхность Солнца. Верхние слои атмосферы непосредственно не видны и могут наблюдаться либо во время полных солнечных затмений, либо при помощи специальных приборов.

1. Какова средняя молекулярная масса смеси полностью ионизованного газа состоящего на 90% из водорода и 10% гелия (по числу атомов)?

Источник

Солнце

• Масса — 2 * 10 30 кг.
• Плотность — 1400 кг/м 3 .
• Эффективная температура — 6000 К.
• Мощность полного излучения — 6 * 10 23 кВт.
• Диаметр — 1 392 000 км.
• Звездный период обращения вокруг оси — 25.4 суток.
• Часть энергии, получаемой Землей от излучаемой Солнцем, — 0,5 * 10 9
• Цикл солнечной активности — 11 лет.
• Основные химические элементы на Солнце — водород, гелий.
• Зоны Солнца:

• — внутренняя;
• — лучистая;
• — конвективная;
• — атмосфера.

Солнце находится в состоянии равновесия. Оно не сжимается и не расширяется, так как силе гравитации, стремящейся сжать Солнце, препятствует сила газового давления изнутри. Температура в центре Солнца достигает 15 10* К, а на расстоянии 0,7 радиуса падает до 10 6 К. Средняя плотность в центре в 100 раз выше средней плотности всего Солнца и составляет 15 * 10 5 км/м 3 .

Источником энергии Солнца являются термоядерные реакции синтеза ядер гелия из водорода. При ядерных превращениях выделяется большое количество энергии, которая проникает к солнечной поверхности и излучается в мировое пространство. Перенос энергии осуществляется двумя способами: лучистым (излучением) и конвективным (при механических движениях нагретых масс вещества). Лучистый перенос происходит в ядре и далее вплоть до расстояния 0,6-0,7 радиуса Солнца. Далее энергия переносится конвекцией.

Строение Солнца

Солнечная атмосфера состоит из нескольких слоев. Самый глубокий и тонкий из них — фотосфера. Толщина фотосферы приблизительно равна 300 км. Чем глубже слои фотосферы, тем они горячее.

Фотосфера имеет характерную зернистую структуру. Чередование маленьких светлых пятнышек — гранул — размером около 1000 км, окруженных темными промежутками, создает впечатление ячеистой структуры — грануляции. Возникновение грануляции связано с происходящей под фотосферой конвекцией. Отдельные гранулы на несколько сотеи градусов горячее окружающего их газа, и в течение нескольких минут их распределение по диску Солнца меняется. В гранулах газ поднимается, а между ними опускается. Это движение газов порождают в солнечной атмосфере акустические волны, подобные звуковым волнам в воздухе. Распространяясь в верхние слои атмосферы, волны, возникшие в конвективной зоне и в фотосфере, передают им часть механической энергии конвективных движений и производят нагревание газов последующих слоев атмосферы — хромосферы и короны. В результате верхние слои атмосферы с температурой около 4500 К оказываются самыми холодными на Солнце. Как вглубь, так и вверх от них температура газов быстро растет.

Расположенный над фотосферой слой называют , во время полных солнечных затмений он виден как розовое кольцо, окружающее темный диск. На краю хромосферы наблюдаются выступающие язычки пламени — хромосферные спикулы, представляющие собой вытянутые столбики из уплотненного газа. Можно наблюдать и спектр хромосферы, так называемый спектр вспышки. Он состоит из ярких эмиссионных линий водорода, гелия, ионизированного кальция и других элементов, которые внезапно вспыхивают во время полной фазы затемнения.

Хромосфера отличается от фотосферы значительно более неправильной неоднородной структурой. Заметно два типа неоднородностей — яркие и темные. В целом распределение неоднородностей образует так называемую хромосферную сетку, особенно хорошо заметную в линии ионизированного кальция. Температура в хромосфере быстро растет, достигая в верхних ее слоях десятков тысяч градусов.

Вся солнечная атмосфера постоянно колеблется. В ней распространяются как вертикальные, так и горизонтальные волны с длинами в несколько тысяч километров. Колебания носят резонансный характер и происходят с периодом около 5 мин.

В возникновении явлений, происходящих на Солнце, большую роль играют магнитные поля. Вещество на Солнце всюду представляет собой намагниченную плазму. Иногда в отдельных областях напряженность магнитного поля быстро и сильно возрастает. Этот процесс сопровождается возникновением целого комплекса явлений солнечной активности в различных слоях солнечной атмосферы. Солнечная активность проявляется в кратковременных явлениях, к которым относятся пятна, факелы. всплески радиоизлучения, хромосферные вспышки. Солнечная активность имеет тесную связь с геофизическими явлениями (магнитные бури на Земле, усиление ультрафиолетового излучения и другими).

Солнечная корона — внешние, очень разреженные слои атмосферы Солнца. Во время полной фазы солнечного затмения вокруг диска Луны, который закрывает от наблюдателя яркую фотосферу, внезапно как бы вспыхивает жемчужное сияние — это на несколько десятков секунд становится видимой солнечная корона.

Важной особенностью короны является ее лучистая структура. Лучи бывают разной длины, вплоть до десятка и более солнечных радиусов. Общая форма короны меняется с фазами цикла солнечной активности: в годы максимума корона почти сферична, в годы минимума она сильно вытянута вдоль экватора.

Корона представляет собой сильно разреженную высокоионизированную плазму с температурой 1—2 млн градусов. Причина столь большого нагрева солнечной короны связана с волновыми движениями, возникающими в конвективной зоне Солнца. Цвет короны почти совпадает с цветом излучения всего Солнца. Это связано с тем, что свободные электроны, находящиеся в короне и возникающие в результате сильной ионизации газов, рассеивают излучение, приходящее от фотосферы. Из-за огромной температуры частицы движутся так быстро, что при их столкновениях от атомов отлетают электроны, которые начинают двигаться как свободные частицы. В результате этого легкие элементы полностью теряют все свои электроны, так что в короне практически нет атомов водорода или гелия, а есть только протоны и альфа-частицы. Тяжелые элементы теряют до 10—15 внешних электронов. По этой причине в солнечной короне наблюдаются необычные спектральные линии, которые долгое время не удавалось отождествить с известными химическими элементами. Иногда в солнечной короне наблюдаются области пониженного свечения. Их называют корональными дырами. Особенно хорошо эти дыры заметны по снимкам в рентгеновских лучах.

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 R_o. 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