Почему светит Солнце?
В древности люди не знали, почему светит Солнце. Но уже тогда они заметили, что оно появляется рано утром и исчезает вечером, а на смену ему приходят яркие звезды. Его считали дневным божеством, символом света, добра и власти.
Солнце — одна из звёзд нашей Галактики (Млечный Путь) и единственная звезда Солнечной системы. Вокруг Солнца обращаются планеты, кометы, астероиды, метеороиды и другие космические тела.
Сейчас наука шагнула далеко вперед и Солнце уже не столь загадочно для нас. Это не какой-нибудь особенный и неповторимый объект, а звезда. Такая же, как тысячи других, которые мы видим в ночном небе. Но другие звезды очень далеки от нас, поэтому с Земли они кажутся крохотными огоньками. Солнце к нам гораздо ближе, и его сияние видно намного лучше.
Кратка характеристика Солнца
Как и все остальные звезды, Солнце представляет собой огромный горячий шар. Предполагается, что оно образовалось из остатков других звезд около 4,5 миллиардов лет назад. Газ и пыль, освободившиеся из них, стали сжиматься в облако, температура и давление в котором постоянно повышались.
«Разогревшись» примерно до десяти миллионов градусов, облако превратилось в звезду, ставшую гигантским генератором энергии.
- По спектральной классификации Солнце относится к типу G2V (жёлтый карлик).
- Средняя плотность Солнца составляет 1,4 г/см³ (в 1,4 раза больше, чем у воды).
- Эффективная температура поверхности Солнца — 5780 кельвин .
Солнце светит почти белым светом, но прямой свет Солнца у поверхности нашей планеты приобретает некоторый жёлтый оттенок из-за действия атмосферы Земли (при ясном небе, вместе с голубым рассеянным светом от неба, солнечный свет вновь даёт белое освещение).
Зeмля oтдaлeнa oт Coлнцa нa 150 млн. км. Cкopocть cвeтa – З00000 км/c, пoэтoму лучу тpeбуeтcя 8 минут и 20 ceкунд. Ho вaжнo тaкжe пoнимaть, чтo ушли миллиoны лeт, пpeждe чeм фoтoны cвeтa пepeшли c coлнeчнoгo ядpa нa пoвepxнocть.
Структура и состав Солнца
Наше Солнце в основном состоит из двух элементов: водорода (74,9%) и гелия (23,8%). Помимо них там присутствует в маленьких количествах: кислород (1%), углерод (0.3%), неон (0.2%) и железо (0.2%). Внутри Солнце делится на слои:
- ядро,
- радиационная и конвекционная зоны,
- фотосфера,
- атмосфера.
Строение Солнца схематично.Ядро Солнца обладает наибольшей плотностью и занимает примерно 25% от общего солнечного объема.
Именно в солнечном ядре посредством ядерного синтеза, трансформирующего водород в гелий, формируется тепловая энергия. По сути, ядро – это такой себе солнечный мотор, благодаря ему, наше светило выделяет тепло и обогревает всех нас.
Что заставляет Солнце излучать свет?
Древние мыслители думали, что поверхность солнца постоянно горит, и поэтому излучает свет и тепло. Однако это не так. Во-первых, причина излучения тепла и света находится намного глубже поверхности звезды, а именно в ядре . Ну и во-вторых, процессы происходящие в недрах звезд вовсе не похожи на горение.
Солнце содержит огромное количество атомов водорода.
Суть термоядерной реакции
Как правило, нейтральный атом водорода содержит положительно заряженный протон и отрицательно заряженный электрон, который вращается вокруг него. Когда этот атом встречается с другим атомом водорода, их соответствующие внешние электроны магнитно отталкивают друг друга, что предотвращает встречу одного из протонов друг с другом.
Но ядро Солнца сильно разогрето и находится под таким давлением, что атомы перемещаются с большой кинетической энергией, которая позволяет им преодолевать силу, связывающую их структуру, и электроны начинают отделяться от своих протонов.
Это означает, что протоны, обычно находящиеся внутри ядра атома водорода, могут касаться друг друга и объединяются в ядра других элементов.
То есть с научной точки зрения, — это реакция, при которой более легкие атомные ядра — обычно изотопы водорода (дейтерий и тритий) сливаются в более тяжелые ядра — гелия .
Данный процесс, происходящий в недрах звезд, называется термоядерный синтез.
Это процесс перехода материи в энергию, причем из минимального количества материи высвобождается невероятное количество энергии — каждую секунду Солнце излучает 3,9 × 10 в степени 26 Вт мощности.
Чтобы произошла термоядерная реакция необходима невероятно высокая температура — несколько миллионов градусов.
Как можно было догадаться солнце не вечно , оно со временем «спалит само себя». Ученые считают, что в нем еще хватит материи приблизительно на 4-6 миллиардов лет, т.е. где-то на столько же, сколько оно уже просуществовало.
Почему Солнце не взрывается?
Звезда живет за счет притяжения — вот почему они большие, огромные. Чтобы сжать звезду, нужна огромная сила притяжения, для того чтобы выделить невероятное количество энергии, достаточного для термоядерного синтеза. Вот в чем секрет звезд, вот почему они светятся.
Синтез в ядре звезды Солнца, каждую секунду генерирует мощность, которой хватило бы на миллиард ядерных бомб. Звезда — это гигантская водородная “бомба”.
Почему тогда ей просто не разлететься на куски?
Дело в том, что силы тяжести сжимают внешние слои звезды. Сила тяжести и синтез ведут грандиозную войну, притяжение которых хочет смять звезду и энергия синтеза, которая стремится разнести звезду изнутри, этот конфликт и это равновесие создают звезду.
Этот процесс происходит всю жизнь звезды. В результате создается свет и каждый луч совершает невероятное путешествие, проходя 1080 миллионов километров в час. За одну секунду, луч света может семь раз обогнуть землю, ни что во вселенной не движется так быстро.
История изучения светимости Солнца
Одним из первых, кто попытался подойти к объяснению природы Солнца с научной точки зрения был древнегреческий астроном и математик Анаксагор, согласно словам которого Солнце – раскаленный металлический шар. За это философ был заключен в тюрьме.
Прежде, чем в 17-м веке началось инструментальное изучение Солнца, было еще немало предположений о природе солнечного света, вплоть до находящихся на поверхности постоянно горящих лесов.
С 17-го века ученым открывается такое явление как солнечные пятна, появляется возможность вычислить период вращения Солнца. Становится ясно, что наша звезда является неким физическим телом со сложной структурой.
В 19-м веке возникает спектроскопия, при помощи которой удается разложить солнечный луч на составные цвета. Таким образом, благодаря линиям поглощения, Фраунгоферу удается обнаружить новый химический элемент, входящий в состав звезды, — гелий.
В середине 19 века ученые уже пытались описать свечение Солнца более сложными научными гипотезами.
В 1848 году Роберт Майер выдвинул метеоритную гипотезу, согласно которой Солнце нагревается благодаря бомбардировке метеоритами.
Несколько позже, в 1853-м году, возникла более правдоподобная идея так называемого «механизма Кельвина — Гельмгольца», согласно которой Солнце нагревалось по причине гравитационного сжатия. Однако, в таком случае возраст светила был бы значительно меньше, нежели на самом деле, что противоречило некоторым геологическим исследованиям.
Уравнение Энштейна
Вооружившись знаменитым уравнением Эншнейна, которое предсказывало, что любая масса должно иметь эквивалентное количество энергии, британские астрономы 1920-х годов предположили, что Солнце фактически превращало свою массу в энергию. Однако вместо печи, которая превращает древесину и уголь в золу и почерневший углерод (излучая свет и тепло), центр Солнца больше похож на гигантскую атомную электростанцию.
Только в XX веке было найдено правильное решение этой проблемы, благодаря которой стала понятна природа светимости Солнца.
Сколько будет гореть Солнце?
Эффективность реакции термоядерного синтеза является основной причиной того, что Солнце постоянно излучает тепло, — энергия, выделяемая путем превращения всего одного килограмма водорода в гелий эквивалентна той, которая выделяется при сжигании 20 000 тонн угля. Поскольку Солнце достаточно массивно и относительно молодо, считают, что оно использовало только около половины своего топлива — водорода.
Koгдa Coлнцe изpacxoдуeт вecь вoдopoдный зaпac (1З0 млн. лeт), тo пepeйдeт к гeлию. После этого его светимость будет и дальше увеличиваться, пока Солнце не станет на 121 % ярче и горячее, чем сейчас. и оно перейдет в фазу красного гиганта.
Ученые считают, что через 4–5 млрд лет Солнце расширится и поглотит или очень сильно разогреет Землю.
Пocлe кpacнoгo гигaнтa oнo pуxнeт и ocтaвит cжaтую мaccу в шapикe зeмнoгo paзмepa. Этo cтaдия бeлoгo кapликa. В конце концов, ядро Солнца преобразует весь свой водород в гелий, и звезда умрет. Этого не произойдет еще примерно 5 миллиардов лет. Солнце не может исчезнуть просто так или погаснуть в один миг. Светимость нашей звезды увеличивается на 1 % каждые 110 млн лет за счет сжигания водорода.
Видео
Источник
Если Солнце прекратит синтез, оно будет светить ещё 40 миллионов лет, а не 8 минут
Если термоядерные реакции в центре Солнца вдруг остановятся, то мы узнаем об этом действительно через 8 с лишним минут , в тот момент, когда от Солнца прекратится поток нейтрино — тех частиц, которые образуются в процессе реакций термоядерного синтеза, и уносят часть энергии Солнца, этот процесс называется нейтринным охлаждением . Эти частицы проникают через вещество и не взаимодействуют с ним, поэтому для нейтрино практически не существует преград, и плотное Солнце (в самом центре) не является помехой.
Но свет — это не нейтрино, хоть фотон и не имеет массы покоя, а нейтрино имеет, он взаимодействует со средой, и в особо плотной среде скорость света ниже, чем в вакууме. Но, на самом деле, и тут нас ждёт подвох от физиков: скорость света (фотонов) всегда равна скорости света в вакууме и составляет, без малого, 299 792 458 метров в секунду или почти 300 000 километров в секунду, примерно в 1000 000 раз быстрее, чем реактивный самолёт.
Почему же в среде скорость света меньше? Ответ прост: свет проходит большее расстояние, таким образом, мы просто считаем, что его скорость меньше , нам так удобнее рассуждать, не считать же расстояние, пройденное фотонами света внутри стекла, например. Мы просто знаем, что скорость света в стекле меньше, чем в вакууме в 1,5 раза (именно такой показатель преломления n у оконного стекла).
А теперь вернёмся к Солнцу. Солнце, конечно, не стеклянное, но плотное, особенно, в ядре. Там плотность вещества достигает бешеных 150 граммов на кубический сантиметр. Это примерно в 150 раз больше плотности воды и в 7 раз больше, чем у осмия — самого плотного металла на Земле. Но всё равно этой плотности далеко до вещества белых карликов и нейтронных звёзд.
И даже с такой высокой плотностью вещества и в таком объеме, свет умудряется довольно быстро проникать через него. Поэтому Солнце не смогло бы удерживать фотоны так долго, и, в конечном итоге, оно бы погасло? Действительно, Солнце не «хранит» фотоны. Сама звезда просто возобновила бы медленное гравитационное сжатие, которое было остановлено около 4,5 миллиардов лет назад, когда скорости ядерных реакций в центре смогли достаточно возрасти, чтобы компенсировать радиационные потери с поверхности Солнца (поверхностное фотонное охлаждение).
Это явление называется гидростатическим равновесием (см. рисунок выше) , когда температура за счёт термоядерного горения и давление внутри Солнца удерживают гравитационное сжатие звезды под воздействием собственной массы. Простыми словами: чем глубже вы погружаетесь в Солнце, тем больший вес давит на вас сверху и тем большее давление снизу.
Но из-за того, что сила гравитационного сжатия может увеличивать плотность Солнца без увеличения давления, из-за того, что звёзды имеют жидкостную природу, Солнцу надо сохранять свою температуру на одном уровне и для этого должен идти постоянный термоядерный синтез в его центре.
Таким образом, даже если термоядерная топка внезапно погаснет, гравитационной потенциальной энергии Солнца будет достаточно, чтобы поддерживать необходимый поток энергии на протяжении десятков миллионов лет. Пока происходит процесс сжатия, Солнце будет поддерживать свою текущую светимость, но уменьшаться в радиусе, за счёт того, что поверхность его будет охлаждаться, а это, в свою очередь, приведёт к падению давления и к сжатию, а затем температура его поверхности увеличится, за счёт этого же сжатия. Этот процесс называется механизмом Кельвина-Гельмгольца и заметен на Юпитере, ядро планеты воздействием гравитационного сжатия излучают тепло, таким образом Юпитер больше излучает, чем получает от Солнца.
Как только Солнце сократится под воздействием сжатия в несколько раз и станет размером с Юпитер (около 30% его текущего радиуса), сжатие начнет замедляться, потому что электроны в ядре станут вырожденными, а давление начнёт увеличиваться с плотностью быстрее, чем для идеального газа. Замедляющееся сжатие уменьшает скорость высвобождения потенциальной энергии и, следовательно, солнечную светимость. Сжатие будет продолжаться с меньшей скоростью, пока Солнце не станет горячим «водородным белым карликом», в несколько раз превышающим размер Земли, который затем охладится до светящегося «уголька» без дальнейшего сжатия в течение миллиардов лет.
Таким образом, по расчётам, Солнце сможет существовать только за счёт своей массы около 40 миллионов лет. Именно поэтому в 19-м веке учёные считали, что должен быть какой-то источник энергии внутри светила, чтобы поддерживать его светимость. Они полагали, что это происходит за счёт гравитационного сжатия, и только в 30-х годах 20-го века Ханс Бете предположил, что в центре Солнца идёт термоядерный синтез.
Но, благодаря тому, что в Солнце идёт синтез гелия из водорода, вы можете подписаться на канал и поставить лайк:).
Источник