Из чего состоит Солнце
С Земли, Солнце выглядит как гладкий огненный шар, и до открытия комическим кораблём Galileo пятен на Солнце, многие астрономы считали, что оно идеальной формы без дефектов. Теперь мы знаем, что Солнце состоит из нескольких слоёв, как и Земля, каждый из которых выполняет свою функцию. Эта структура Солнца, похожая на массивную печь, является поставщиком всей энергии на Земле, необходимой для земной жизни.
Из каких элементов состоит Солнце?
Если бы у вас получилось разложить звезду на части, и сравнить составные элементы, вы бы поняли, что состав Солнца представляет собою 74% водорода и 24% гелия. Также, Солнце состоит из 1% кислорода, и оставшийся 1% — это такие химические элементы таблицы Менделеева, как хром, кальций, неон, углерод, магний, сера, кремний, никель, железо. Астрономы полагают, что элемент тяжелее гелия – это металл.
Протон-протонный цикл происходящий в недрах Солнца
Как появились все эти элементы Солнца? В результате Большого Взрыва появились водород и гелий. В начале становления Вселенной, первый элемент, водород, появился из элементарных частиц. Из-за большой температуры и давления условия во Вселенной были как в ядре звезды. Позже, водород синтезировался в гелий, пока во Вселенной была высокая температура, необходимая для протекания реакции синтеза. Существующие пропорции водорода и гелия, которые есть во Вселенной сейчас, сложились после Большого Взрыва и не изменялись.
Остальные элементы Солнца созданы в других звездах. В ядрах звезд постоянно происходит процесс синтеза водорода в гелий. После выработки всего кислорода в ядре, они переходят на ядерный синтез более тяжелых элементов, таких как литий, кислород, гелий. Многие тяжелые металлы, которые есть в Солнце, образовывались и в других звездах в конце их жизни.
Образование самых тяжелых элементов, золота и урана, происходило, когда звезды, во много раз больше нашего Солнца, детонировали. За доли секунды образования черной дыры, элементы сталкивались на большой скорости и образовывались самые тяжелые элементы. Взрыв раскидал эти элементы по всей Вселенной, где они помогли образоваться новым звездам.
Наше Солнце собрало в себя элементы, созданные Большим Взрывом, элементы от умирающих звезд и частицы появившихся в результате новых детонаций звезд.
Из каких слоев состоит Солнце
На первый взгляд, Солнце — просто шар, состоящий из гелия и водорода, но при более глубоком изучении видно, что оно состоит из разных слоев. При движении к ядру, температура и давление увеличиваются, в результате этого были созданы слои, так как при различных условиях водород и гелий имеют разные характеристики.
Графическое представление слоев Солнца
Солнечное ядро
Начнем наше движение по слоям от ядра к наружному слою состава Солнца. Во внутреннем слое Солнца – ядре, температура и давление очень высокие, способствующие для протекания ядерного синтеза. Солнце создает из водорода атомы гелия, в результате этой реакции образуется свет и тепло, которые доходят до Земли. Принято считать, что температура на Солнце около 13,600,000 градусов по Кельвину, а плотность ядра в 150 раз выше плотности воды.
Ученые и астрономы считают, что ядро Солнца достигает около 20% длины солнечного радиуса. И внутри ядра, высокая температура и давление способствуют разрыву атомов водорода на протоны, нейтроны и электроны. Солнце преобразовывает их в атомы гелия, не смотря на их свободно плавающее состояние.
Такая реакция называется экзотермической. При протекании этой реакции выделяется большое количество тепла, равное 389 х 10 31 дж. в секунду.
Радиационная зона Солнца
Эта зона берет свое начало у границы ядра (20% солнечного радиуса), и достигает длины до 70% радиуса Солнца. Внутри этой зоны находится солнечное вещество, которое по своему составу достаточно плотное и горячее, поэтому тепловое излучение проходит через него, не теряя тепло.
Внутри солнечного ядра протекает реакция ядерного синтеза – создание атомов гелия в результате слияния протонов. В результате этой реакции происходит большое количество гамма-излучения. В данном процессе испускаются фотоны энергии, затем поглощаются в радиационной зоне и испускаются различными частицами вновь.
Траекторию движения фотона принято называть «случайным блужданием». Вместо движения по прямой траектории к поверхности Солнца, фотон движется зигзагообразно. В итоге, каждому фотону необходимо примерно 200.000 лет для преодоления радиационной зоны Солнца. При переходе от одной частицы к другой частице происходит потеря энергии фотоном. Для Земли это хорошо, ведь мы бы могли получать лишь гамма-излучение, идущее от Солнца. Фотону, попавшему в космос необходимо 8 минут для путешествия к Земле.
Большое количество звезд имеют радиационные зоны, и их размеры напрямую зависит от масштаба звезды. Чем меньше звезда, тем меньше будут зоны, большую часть которой будет занимать конвективная зона. У самых маленьких звезд могут отсутствовать радиационные зоны, а конвективная зона будет достигать расстояние до ядра. У самых больших звезд ситуация противоположная, радиационная зона простирается до поверхности.
Конвективная зона
Конвективная зона находится снаружи радиационной зоны, где внутреннее тепло Солнца перетекает по столбам горячего газа.
Почти все звезды имеют такую зону. У нашего Солнца она простирается от 70% радиуса Солнца до поверхности (фотосферы). Газ в глубине звезды, у самого ядра, нагреваясь, поднимается на поверхность, как пузырьки воска в лампадке. При достижении поверхности звезды, происходит потеря тепла, при охлаждении газ обратно погружается к центру, за возобновлением тепловой энергии. Как пример, можно привезти, кастрюля с кипящей водой на огне.
Поверхность Солнца похожа на рыхлую почву. Эти неровности и есть столбы горячего газа, несущие тепло к поверхности Солнца. Их ширина достигает 1000 км, а время рассеивания достигает 8-20 минут.
Астрономы считают, что звезды маленькой массы, такие как красные карлики, имеющие только конвективную зону, которая простирается до ядра. У них отсутствует радиационная зона, что нельзя сказать о Солнце.
Фотосфера
Единственный видимый с Земли слой Солнца – фотосфера. Ниже этого слоя, Солнце становится непрозрачным, и астрономы используют другие методы для изучения внутренней части нашей звезды. Температуры поверхности достигает 6000 Кельвин, светится желто-белым цветом, видимым с Земли.
Атмосфера Солнца находится за фотосферой. Та часть Солнца, которая видна во время солнечного затмения, называется короной.
Строение Солнца в диаграмме
NASA специально разработало для образовательных потребностей схематическое изображение строения и состава Солнца с указанием температуры для каждого слоя:
- (Visible, IR and UV radiation) – это видимое излучение, инфракрасное излучение и ультрафиолетовое излучение. Видимое излучение – это свет, которые мы видим приходящим от Солнца. Инфракрасное излучение – это тепло, которое мы ощущаем. Ультрафиолетовое излучение – это излучение, дающее нам загар. Солнце производит эти излучения одновременно.
- (Photosphere 6000 K) – Фотосфера – это верхний слой Солнца, поверхность его. Температура 6000 Кельвин равна 5700 градусов Цельсия.
- Radio emissions (пер. Радио эмиссия) – Помимо видимого излучения, инфракрасного излучения и ультрафиолетового излучения, Солнце отправляет радио эмиссию, которую астрономы обнаружили с помощью радиотелескопа. В зависимости от количества пятен на Солнце, эта эмиссия возрастает и снижается.
- Coronal Hole (пер. Корональная дыра) – Это места на Солнце, где корона имеет небольшую плотность плазмы, в результате она темнее и холоднее.
- 2100000 К (2100000 Кельвин) – Радиационная зона Солнца имеет такую температуру.
- Convective zone/Turbulent convection (пер. Конвективная зона/Турбулентная конвекция) – Это места на Солнце, где тепловая энергия ядра передается с помощью конвекции. Столбы плазмы доходят до поверхности, отдают своё тепло, и вновь устремляются вниз, чтоб вновь нагреться.
- Coronal loops (пер. Корональные петли) – петли, состоящие из плазмы, в атмосфере Солнца, движущиеся по магнитным линиям. Они похожи на огромные арки, простирающиеся от поверхности на десятки тысяч километров.
- Core (пер. Ядро) – это солнечное сердце, в котором происходит ядерный синтез, при помощи высокой температуры и давления. Вся солнечная энергия происходит из ядра.
- 14,500,000 К (пер. 14,500,000 Кельвин) – Температура солнечного ядра.
- Radiative Zone (пер. Радиационная зона) – Слой Солнца, где энергия передается при помощи радиации. Фотон преодолевает радиационную зону за 200.000 и выходит в открытый космос.
- Neutrinos (пер. Нейтрино) – это ничтожно маленькие по массе частицы, исходящие из Солнца в результате реакции ядерного синтеза. Сотни тысяч нейтрино проходят через тело человека ежесекундно, но никакого вреда нам не приносят, мы их не чувствуем.
- Chromospheric Flare (пер. Хромосферная вспышка) – Магнитное поле нашей звезды может закручиваться, а потом резко разрывается в различных формах. В результате разрывов магнитных полей появляются мощные рентгеновские вспышки, исходящие из поверхности Солнца.
- Magnetic Field Loop (пер. Петля магнитного поля) – Магнитное поле Солнца находится над фотосферой, и видно, так как раскаленная плазма движется по магнитным линиям в атмосфере Солнца.
- Spot– A sunspot (пер. Солнечные пятна) – Это места на поверхности Солнца, где магнитные поля проходят через поверхность Солнца, и на них температура ниже, часто в виде петли.
- Energetic particles (пер. Энергичные частицы) – Они исходят из поверхности Солнца, в результате создается солнечный ветер. В солнечных бурях их скорость достигает скорости света.
- X-rays (пер. Рентгеновские лучи) – невидимые для глаза человека лучи, образующиеся во вспышек на Солнце.
- Bright spots and short-lived magnetic regions (пер. Яркие пятна и недолгие магнитные регионы) – Из-за перепада температур на поверхности Солнца появляются яркие и тусклые пятна.
Источник
Из чего состоит Солнце?
Обычно говорят, что Солнце — это огромный раскалённый газовый шар. И если такого объяснения вам достаточно, то дальше можно и не читать. А если вам хочется знать более подробно, читайте дальше о том, как устроено Солнце.
Солнце — это не просто шар из раскалённых газов, оно имеет сложное строение и состоит из нескольких слоев: ядра, зоны лучистого переноса, зоны конвекции и атмосферы.
1. Ядро
Внутренний слой Солнца, который занимает четверть его радиуса (150-175 тысяч километров), называют ядром. Температура ядра достигает 15 миллионов градусов Цельсия. Ядро имеет невообразимо огромную плотность — 150 000 кг/м 3 ! Это в 150 раз больше, чем плотность воды. Давление в ядре достигает 3,4 х 10 11 атмосфер. В ядре сосредоточена половина массы Солнца.
Ядро — это «печка», которая является источником того жара и света, которые исходят от звезды. Источник солнечной энергии — термоядерные реакции в ядре, в ходе которых водород превращается в гелий и атомы других более тяжелых элементов.
Похожая реакция происходит в водородной бомбе при её взрыве. Так что можно сказать, что Солнце — огромная водородная бомба, но только эта «бомба» не взрывается, а только «тлеет», и будет так тлеть еще около 5 миллиардов лет, пока в нём не закончится водородное горючее. И вот тогда Солнце действительно «взорвётся», то есть сильно расширится и превратится в звезду ещё больших размеров — красного гиганта (сейчас это жёлтый карлик). В таком состоянии Солнце будет находиться еще несколько миллиардов лет. А потом сожмётся в белого карлика размером с нашу планету, который постепенно остынет.
Каждую секунду в ядре Солнца сгорает примерно 4 миллиона тонн вещества. В результате этих реакций образуется огромное количество лучистой энергии. Поэтому с течением времени Солнце светит всё ярче, становится всё горячее и при этом чуточку «худеет».
Что же происходит с энергией, которая выделяется в результате термоядерных реакций? Она перемещается наружу, в следующий слой.
2. Зона лучистого переноса
Лучистая зона окружает ядро и заканчивается на уровне 0,7 от солнечного радиуса, то есть занимает половину радиуса нашей родной звезды. Эта зона состоит из водородно-гелиевой плазмы. На границе с ядром плотность плазмы составляет 20 г/см 3 , что приблизительно равно плотности золота. Но по мере приближения к внешней границе зоны ее плотность падает в 100 раз (до 0,2 г/см 3 — это меньше, чем плотность воды). При этом снижается и температура: если на внутренней границе зоны она составлет 7 миллионов градусов, то на верхней границе — «всего» 2 миллиона градусов.
Свое название эта зона получила от способа, которым энергия переносится в ней от ядра к поверхности. Способ этот — излучение. В ядре образуются частицы света — фотоны. Чтобы «выбраться» на поверхность, им нужно пройти через слой водородной плазмы. Но по пути они постоянно сталкиваются с частицами плазмы. Те их поглощают, потом снова переизлучают, причем в разных направлениях. И если фотон преодолевает расстояние от поверхности Солнца до Земли (полтора миллиона километров) за 8 минут, то для достижения наружного края лучистой зоны (напрямую это порядка 350 000 км), ему могут потребоваться. миллионы лет! Несмотря на сложности пути, главное направление у них одно — в ту сторону, где плотность вещества меньше, поэтому общий поток лучистой энергии направлен от центра Солнца наружу.
3. Зона конвекции
В зоне лучистого переноса конвекция невозможна, так как ее вещество слишком плотное и неподвижное. Но в наружных слоях этой зоны вещество уже настолько разрежено, что может перемещаться. Здесь начинается зона конвекции.
Граница между зоной лучистого переноса и зоной конвекции называется тахоклин. Считается, что именно в этом промежуточном слое происходит формирование магнитного поля Солнца.
Как и зона лучистого переноса, зона конвекции неоднородна. Это огромный по величине слой: хотя по толщине зона конвекции занимает всего десятую часть радиуса Солнца, на неё приходится две трети его объёма. Однако его масса составляет всего 2% от массы Солнца, потому что солнечное вещество в этом слое сильно разрежено. Если на границе с зоной лучистого переноса, как мы помним, его плотность равна 0,2 г/см 3 , то на границе с солнечной атмосферой (следующей зоной) она в десять тысяч раз ниже, чем плотность воздуха, то есть это очень сильно разреженный газ. Температура в этой зоне тоже падает радикально изнутри наружу: от 2 000 000°С в области тахоклина до 6000°С у внешней границы.
Процесс конвекции в этой зоне происходит по тому же принципу, что и движение воздуха в комнате с работающей отопительной батареей: от подошвы зоны поднимаются вверх потоки нагретого вещества, а им навстречу двигаются потоки менее нагретого вещества. Так происходит активное перемешивание вещества в зоне.
Поверхность Солнца, если посмотреть на неё в телескоп (конечно, со специальным фильтром), выглядит ячеистой, состоящей из гранул. Эти гранулы создаются теми самыми восходящими потоками солнечного вещества в процессе конвекции. Чем глубже образуются гранулы, тем они крупнее. У подошвы зоны конвекции, на глубине несколько тысяч километров, образуются огромные супергранулы размером 30-35 тысяч километров, а в верхних слоях конвективной зоны размер гранул составляет всего несколько сотен километров. Срок жизни гранул в зависимости от размеров — от нескольких минут до нескольких часов.
Самые свежие изображения поверхности Солнца с высоким разрешением (декабрь 2019 г.)
Область на видео — размером с нашу Землю. Хорошо видны гранулы фотосферы, каждая размером с небольшую страну.
Яркие области — восходящие потоки высокотемпературной плазмы, темные области — зоны более низкой температуры, опускающиеся вниз.
4. Атмосфера
Атмосферу Солнца ученые разделяют на три зоны: самая нижняя — фотосфера, над ней — хромосфера, последний слой — солнечная корона.
Фотосфера — источник излучения видимого света Солнца, то есть то, что мы видим как солнечный диск. Излучение более глубоких слоев мы видеть не можем, оно до нас не доходит.
Свет Солнца — чисто белый. Но на Земле мы видим его желтоватым, и виновата в этом атмосфера: она рассеивает солнечный свет и поглощает часть цветов.
Толщина фотосферы невелика — не больше 400 километров. Температура солнечного вещества по мере восхождения в фотосфере продолжает снижаться: если на глубине 300 км температура Солнца 8000 градусов, то в верхних слоях фотосферы — уже только 4000 градусов. Состоит фотосфера из раскаленных газов. Благодаря прозрачности этой зоны можно видеть зону грануляции в верхних слоях зоны конвекции.
Именно в фотосфере наблюдаются солнечные пятна. Самые крупные из них видны даже невооруженным глазом. Это области, температура которых гораздо (примерно на 1500-2000 градусов) ниже, чем на окружающих пятна участках. Солнечное пятно — это место выхода наружу сильных магнитных полей. Они мешают конвективному переносу, и тем самым уменьшают поток тепловой энергии — отсюда и понижение температуры. Ученые пристально наблюдают за пятнами на Солнце, ведь их количество — показатель магнитной активности нашей звёзды.
Хромосфера — следующая за фотосферой зона, цветная сфера. Так её назвали из-за красноватого оттенка. Разглядеть её сложно из-за близости фотосферы. Увидеть хромосферу можно во время солнечного затмения как розовое сияние вокруг затемнённого диска Солнца. Чётких границ у хромосферы нет. Её очертания можно сравнить с языками пламени. Эти языки называют спикулами. Они представляют собой потоки плазмы, вырывающиеся из Солнца. Размеры спикул — от 200 до 2000 км в поперечнике и несколько тысяч километров в высоту. По сравнению с фотосферой хромосфера более разрежена, но тем не менее она более горячая — до 20 000 градусов. Но это — ничто по сравнению с температурой самого наружного слоя солнечной атмосферы — короны.
Солнечная корона — самая разреженная, но и самая горячая часть солнечной атмосферы: ее температура достигает 1-2 миллионов градусов. Состоит корона из разреженных ионизированных газов, а простирается она на несколько диаметров Солнца! Постепенно разреживаясь, корона заполняет все межпланетное пространство. В короне можно наблюдать протуберанцы — плотные сгустки плазмы, которые выбрасывает Солнце. Они поднимаются над поверхностью светила, но не могут оторваться от него — их не пускает магнитное поле. Так же как и хромосферу, протуберанцы можно увидеть во время солнечных затмений.
Самый большой протуберанец за всю историю наблюданий Солнца «выстрелил» в 1946 году и имел высоту 1,7 млн. км (расстояние от Солнца до Земли, напомним, — 150 млн. км).
Солнечная корона — источник солнечного ветра, представляющего собой поток заряженных частиц. Именно солнечный ветер вызывает такие явления на Земле, как полярное сияние и геомагнитные бури.
Помните, в начале мы говорили, что масса Солнца уменьшается в результате сгорания водородного топлива в ядре? Из-за солнечного ветра наша звезда тоже «худеет», но не сильно: за 150 млн. лет с ветром уносится количество солнечного вещества, равное массе Земли.
Суммируем знания, полученные на этой странице.
Звезда по имени Солнце:
- Радиус — 696 000 км
- Диаметр — 1 392 000 км (109 диаметров Земли)
- Масса — 1,9891·10 30 кг (332 982 масс Земли)
- Объём — 1,40927·10 27 м 3 (1 301 019 объёмов Земли)
- Средняя плотность — 1,41 г/см 3 (от центра к периферии уменьшается в 100 раз)
- Температура ядра
15 700 000 К*
Температура поверхности
5778 К
Температура короны
1 500 000 К
Источник