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
Солнечное ядро
Солнечное ядро, как полагают [кто?] , простирается от центра Солнца на расстояние в 175 000 км (приблизительно 0,2 солнечного радиуса). Ядро — самая горячая часть Солнца, температура в ядре составляет 15 000 000 К (для сравнения: температура поверхности равна 6 000 К). Плотность ядра — 150 000 кг/м³ (в 150 раз выше плотности воды на Земле)
Анализ данных, полученных космическим аппаратом SOHO, показал, что в ядре скорость вращения Солнца вокруг своей оси значительно выше, чем на поверхности. [1]
Содержание
Энергия ядра
В ядре осуществляется протон-протонная термоядерная реакция, в результате которой из четырёх протонов образуется гелий-4. При этом каждую секунду в энергию превращаются 4,26 миллиона тонн вещества (3,6·10 38 протонов), однако эта величина ничтожна по сравнению с массой Солнца — 2·10 27 тонн. Мощность ядра равна 380 йоттаваттам (3,8·10 26 Ватт), что эквивалентно детонации 9,1·10 10 мегатонн тротила в секунду.
Ядро — единственное место на Солнце, в котором энергия и тепло получается от термоядерной реакции, остальная часть звезды нагрета этой энергией. Вся энергия ядра последовательно проходит сквозь слои, вплоть до фотосферы, с которой излучается в виде солнечного света и кинетической энергии.
Преобразование энергии
Во время движения высокоэнергетических фотонов (гамма и рентген-лучи) к поверхности Солнца, они рассеивают часть энергии в более низкоэнергетических слоях, по сравнению с ядром (например, в мантии). Оценки «времени прохождения фотона» варьируются от 50 миллионов лет [2] до 40 000 лет [3] . Каждый гамма-квант из ядра Солнца преобразуется в несколько миллионов видимых фотонов, которые и излучаются с поверхности.
Примечания
- ↑ ^ Garcia R. A. et al. «Tracking Solar Gravity Modes: The Dynamics of the Solar Core», Science, 316, 5831, 1591—1593 (2007)
- ↑Lewis Richard The Illustrated Encyclopedia of the Universe. — Harmony Books, New York, 1983. — P. 65.
- ↑Plait Phil Bitesize Tour of the Solar System: The Long Climb from the Sun’s Core. — Bad Astronomy, 1997. Проверено 14 сентября 2008.
Литература
- Энциклопедия Солнца
 Солнце | ||
|---|---|---|
| Структура | Ядро·Зона лучистого переноса·Конвективная зона |  |
| Атмосфера | Фотосфера·Хромосфера·Солнечная корона | |
| Расширенная структура | Гелиосфера (Гелиосферный токовый слой·Граница ударной волны) ·Гелиосферная мантия·Гелиопауза· Головная ударная волна | |
| Относящиеся к Солнцу феномены | Солнечное затмение·Солнечная активность (Солнечные пятна·Солнечные вспышки·Корональные выбросы массы) ·Солнечная радиация (Вариации солнечного излучения) ·Корональные дыры· Корональные петли ·Факелы·Гранулы·Флоккулы·Протуберанцы и волокна·Спикулы·Супергрануляция·Солнечный ветер·Волна Мортона | |
| Связанные темы | Солнечная система·Солнечное динамо·Звёздная эволюция | |
| Спектральный класс: G2 | ||
Wikimedia Foundation . 2010 .
Смотреть что такое «Солнечное ядро» в других словарях:
Солнечное затмение — 11 августа 1999 года … Википедия
Солнечное динамо — … Википедия
Солнце — У этого термина существуют и другие значения, см. Солнце (значения). Солнце … Википедия
Светило — Солнце Основные характеристики Среднее расстояние от Земли 1,496×1011 м (8,31 световых минут) Видимая звёздная величина (V) −26,74m … Википедия
Зона конвекции — Зона конвекции область Солнца (или более обще, звезды) в которой перенос энергии из внутренних районов во внешние происходит главным образом путём активного перемешивания вещества конвекции. Содержание 1 Расположение и строение 2 Конвективные… … Википедия
Конвективная зона — Строение Солнца Зона конвекции область Солнца (или более обще, звезды) в которой перенос … Википедия
Дебаевская длина — (дебаевский радиус) расстояние, на которое распространяется действие электрического поля отдельного заряда в нейтральной среде, состоящей из положительно и отрицательно заряженных частиц (плазма, электролиты). Вне сферы радиуса дебаевской длины… … Википедия
Дебаевский радиус экранирования — Дебаевская длина (дебаевский радиус) расстояние, на которое распространяется действие электрического поля отдельного заряда в нейтральной среде, состоящей из положительно и отрицательно заряженных частиц (плазма, электролиты). Вне сферы радиуса… … Википедия
Дебаевский радиус — Дебаевская длина (дебаевский радиус) расстояние, на которое распространяется действие электрического поля отдельного заряда в нейтральной среде, состоящей из положительно и отрицательно заряженных частиц (плазма, электролиты). Вне сферы радиуса… … Википедия
Длина Дебая — Дебаевская длина (дебаевский радиус) расстояние, на которое распространяется действие электрического поля отдельного заряда в нейтральной среде, состоящей из положительно и отрицательно заряженных частиц (плазма, электролиты). Вне сферы радиуса… … Википедия
Источник
Солнечное ядро - Solar core
Ядро Солнца считается простираться от центра до примерно 0,2 до 0,25 радиуса Солнца . Это самая горячая часть Солнца и Солнечной системы . Он имеет плотность 150 г / см 3 в центре и температуру 15 миллионов кельвинов (15 миллионов градусов по Цельсию, 27 миллионов градусов по Фаренгейту).
Ядро состоит из горячей, плотной плазмы (ионы и электроны), давление в центре которого оценивается в 265 миллиардов бар (3,84 триллиона фунтов на квадратный дюйм или 26,5 пета- паскалей ). Из-за термоядерного синтеза состав солнечной плазмы падает с 68–70% водорода по массе во внешнем ядре до 34% водорода в ядре / центре Солнца.
Ядро внутри 0,20 солнечного радиуса содержит 34% массы Солнца, но только 0,8% объема Солнца. Внутри радиуса 0,24 Солнца находится ядро, которое генерирует 99% термоядерной энергии Солнца. Есть две различные реакции, в которых четыре ядра водорода могут в конечном итоге привести к одному ядру гелия : протон-протонная цепная реакция, которая отвечает за большую часть выделяемой Солнцем энергии, и цикл CNO .
СОДЕРЖАНИЕ
Состав
Солнце в фотосферы составляет около 73-74% по массе водорода , которая является такой же состав, в атмосфере из Юпитера и изначального состава водорода и гелия при первой звездообразования после Большого взрыва . Однако по мере того, как глубина Солнца увеличивается, синтез уменьшает долю водорода. Двигаясь внутрь, массовая доля водорода начинает быстро уменьшаться после достижения радиуса ядра (она все еще составляет около 70% на радиусе, равном 25% радиуса Солнца), а внутри него доля водорода быстро падает по мере прохождения ядра. , пока он не достигнет минимума около 33% водорода в центре Солнца (нулевой радиус). Все, кроме 2% оставшейся массы плазмы (то есть 65%), составляет гелий в центре Солнца.
Преобразование энергии
Приблизительно 3,7 × 10 38 протонов ( ядра водорода ), или примерно 600 миллионов тонн водорода, каждую секунду превращаются в ядра гелия, выделяя энергию со скоростью 3,86 × 10 26 джоулей в секунду.
Ядро вырабатывает почти все солнечное тепло посредством термоядерного синтеза : остальная часть звезды нагревается за счет передачи тепла от ядра наружу. Энергия, производимая термоядерным синтезом в ядре, за исключением небольшой части, переносимой нейтрино , должна пройти через множество последовательных слоев к солнечной фотосфере, прежде чем она уйдет в космос в виде солнечного света или в виде кинетической или тепловой энергии массивных частиц. Преобразование энергии в единицу времени (мощность) термоядерного синтеза в ядре изменяется в зависимости от расстояния от солнечного центра. В центре Солнца мощность термоядерного синтеза оценивается моделями примерно в 276,5 Вт / м 3 . Несмотря на высокую температуру, пиковая плотность энергии ядра в целом аналогична активной компостной куче и ниже, чем удельная мощность, производимая метаболизмом взрослого человека. Солнце намного горячее, чем компостная куча, из-за огромного объема Солнца и ограниченной теплопроводности.
Низкая выходная мощность, возникающая внутри термоядерного ядра Солнца, также может вызывать удивление, учитывая большую мощность, которую можно предсказать простым применением закона Стефана-Больцмана для температур от 10 до 15 миллионов кельвинов. Однако слои Солнца излучают во внешние слои лишь немного более низкую температуру, и именно эта разница в мощности излучения между слоями определяет чистую генерацию и передачу энергии в солнечном ядре.
На 19% солнечного радиуса, около края ядра, температура составляет около 10 миллионов кельвинов, а плотность мощности термоядерного синтеза составляет 6,9 Вт / м 3 , что составляет около 2,5% от максимального значения в центре Солнца. Плотность здесь составляет около 40 г / см 3 , или около 27% от плотности в центре. В этом радиусе производится около 91% солнечной энергии. В пределах 24% радиуса (внешнее «ядро» по некоторым определениям) вырабатывается 99% энергии Солнца. За пределами 30% солнечного радиуса, где температура составляет 7 миллионов К, а плотность упала до 10 г / см 3, скорость термоядерного синтеза почти равна нулю.
Есть две различные реакции, в которых ядра 4 H могут в конечном итоге привести к одному ядру He: «протон-протонная цепная реакция» и «цикл CNO» (см. Ниже) .
Протон-протонная цепная реакция
Первая реакция, в которой ядра 4 H могут в конечном итоге привести к образованию одного ядра He, известная как протон-протонная цепная реакция, это:
< 1 ЧАС + 1 ЧАС → 2 D + е + + ν е тогда 2 D + 1 ЧАС → 3 ЧАС е + γ тогда 3 ЧАС е + 3 ЧАС е → 4 ЧАС е + 1 ЧАС + 1 ЧАС <\ displaystyle \ left \ <<\ begin 
Эта последовательность реакций считается наиболее важной в солнечном ядре. Характерное время для первой реакции составляет около одного миллиарда лет даже при высоких плотностях и температурах ядра из-за необходимости того, чтобы слабое взаимодействие вызвало бета-распад до того, как нуклоны смогут прилипнуть (что редко случается в то время, когда они туннелируют в направлении друг друга, чтобы быть достаточно близко для этого). Время, в течение которого дейтерий и гелий-3 длятся в следующих реакциях, напротив, составляет всего около 4 секунд и 400 лет. Эти более поздние реакции протекают через ядерное взаимодействие и, таким образом, происходят намного быстрее. Полная энергия, выделяемая этими реакциями при превращении 4 атомов водорода в 1 атом гелия, составляет 26,7 МэВ.
Цикл CNO
Вторая последовательность реакций, в которой ядра 4 H могут в конечном итоге привести к одному ядру He, называется циклом CNO и генерирует менее 10% всей солнечной энергии . Это касается атомов углерода, которые не расходуются в общем процессе. Подробности этого цикла CNO следующие:
< 12 C + 1 ЧАС → 13 N + γ тогда 13 N → 13 C + е + + ν е тогда 13 C + 1 ЧАС → 14 N + γ тогда 14 N + 1 ЧАС → 15 О + γ тогда 15 О → 15 N + е + + ν е тогда 15 N + 1 ЧАС → 12 C + 4 ЧАС е + γ <\ displaystyle \ left \ <<\ begin
Этот процесс можно понять по картинке справа, начиная сверху по часовой стрелке.
Равновесие
Скорость ядерного синтеза сильно зависит от плотности. Следовательно, скорость плавления в ядре находится в самокорректирующемся равновесии: немного более высокая скорость плавления приведет к большему нагреву ядра и небольшому расширению против веса внешних слоев. Это снизит скорость синтеза и исправит возмущение ; и немного более низкая скорость вызовет охлаждение и небольшое сжатие ядра, увеличивая скорость плавления и снова возвращая ее к ее нынешнему уровню.
Однако Солнце постепенно нагревается в течение своего времени на главной последовательности, потому что атомы гелия в ядре плотнее, чем атомы водорода, из которых они были сплавлены. Это увеличивает гравитационное давление на ядро, которому противодействует постепенное увеличение скорости синтеза. Этот процесс со временем ускоряется, поскольку ядро постепенно уплотняется. По оценкам, Солнце стало на 30% ярче за последние четыре с половиной миллиарда лет и будет продолжать увеличиваться в яркости на 1% каждые 100 миллионов лет.
Передача энергии
Фотоны высоких энергий ( гамма-лучи ), высвобождаемые в реакциях слияния, попадают на поверхность Солнца по непрямым путям. Согласно существующим моделям, случайное рассеяние на свободных электронах в зоне солнечного излучения (зона в пределах 75% солнечного радиуса, где перенос тепла осуществляется излучением) устанавливает шкалу времени диффузии фотонов (или «время прохождения фотонов») от ядра. до внешнего края радиационной зоны примерно 170 000 лет. Оттуда они переходят в конвективную зону (оставшиеся 25% расстояния от центра Солнца), где преобладающий процесс переноса сменяется конвекцией, и скорость, с которой тепло распространяется наружу, становится значительно выше.
В процессе передачи тепла от ядра к фотосфере каждый гамма-фотон в ядре Солнца преобразуется во время рассеяния в несколько миллионов фотонов видимого света перед тем, как уйти в космос. Нейтрино также выделяются реакциями синтеза в ядре, но, в отличие от фотонов, они очень редко взаимодействуют с веществом, поэтому почти все они могут немедленно покинуть Солнце. В течение многих лет измерения количества нейтрино, произведенных на Солнце, были намного ниже, чем предсказывали теории , и эта проблема была недавно решена благодаря лучшему пониманию осцилляций нейтрино .
Источник