Солнце

Солнце

Солнце — рядовая звезда нашей Галактики. Поэтому такие проблемы, как источники энергии Солнца, его строение, образование спектра, являются общими для физики Солнца и звёзд. Для земного наблюдателя уникальность Солнца состоит в том, что это ближайшая к нам и единственная пока звезда, поверхность которой можно подвергнуть детальному изучению. Непосредственно с поверхности Земли Солнце изучают радио- и оптическими методами.

Внеатмосферная астрономия позволила значительно расширить исследуемый диапазон частот электромагнитного излучения Солнца, а также приступить к детальному исследованию его корпускулярного излучения. Всё многообразие солнечных явлении, раскрытое этими методами: зернистая (грануляционная) структура поверхности (фотосферы), сложные изменения яркости и движений в её отдельных активных центрах, процессы в самых внешних, разреженных слоях атмосферы — хромосфере и короне, в частности солнечные вспышки, образование протуберанцев, солнечного ветра,- свойственно, вероятно, не только Солнца, но и др. звёздам. Поэтому физика солнечных явлений имеет огромное значение для развития астрофизики в целом.

На протяжении всей истории человеческой цивилизации во многих культурах Солнце было объектом поклонения. Культ Солнца существовал в Древнем Египте, где солнечным божеством являлся Ра.

Ра
Ра — древнеегипетский бог Солнца

У древних греков богом Солнца был Гелиос, который, по преданию, ежедневно проезжал по небу на своей колеснице. Греки считали, что Гелиос живет на востоке в прекрасном дворце, окруженном временами года — Летом, Зимой, Весной и Осенью. Когда утром Гелиос выезжает из своего дворца, звезды гаснут, ночь сменяется днем. Звезды вновь появляются на небе, когда Гелиос исчезает на западе, где он из колесницы пересаживается в прекрасную лодку и переплывает море к месту восхода.

Гелиос
Гелиос — древнегреческий бог Солнца

В древнерусском языческом пантеоне было два солнечных божества — Хорс (собственно олицетворённое солнце) и Даждьбог.

Хорс
Хорс — славянский бог Солнца

Даже современному человеку, стоит только взглянуть на Солнце, как он начинает понимать, насколько он зависим от него. Ведь если бы не было мирового светила, то и не существовало бы тепла, необходимого для биологического развития и жизни. Наша Земля превратилась бы в замершую на веки ледяную планету, ситуация, подобная на Южном и Северном полушариях, была бы по всему миру.

Внутреннее строение Солнца

Наше Солнце — это огромный светящийся газовый шар, внутри которого протекают сложные процессы и в результате непрерывно выделяется энергия. Внутренний объём Солнца можно разделить на несколько областей. Вещество в них отличается по своим свойствам, и энергия распространяется посредством разных физических механизмов.

Солнце
Наше Солнце

В центральной части Солнца находится источник его энергии, или, говоря образным языком, та «печка», которая нагревает его и не даёт ему остыть. Эта область называется ядром. Под тяжестью внешних слоев вещество внутри Солнца сжато, причём чем глубже, тем сильнее. Плотность его увеличивается к центру вместе с ростом давления и температуры.

В ядре, где температура достигает 15 млн. Кельвинов, происходит выделение энергии. Эта энергия выделяется в результате слияния атомов лёгких химических элементов в атомы более тяжёлых.

В недрах Солнца из четырёх атомов водорода образуется один атом гелия. Именно эту страшную энергию люди научились освобождать при взрыве водородной бомбы. Есть надежда, что в недалёком будущем человек сможет научиться использовать её и в мирных целях.

Ядро имеет радиус примерно 150-175 тыс км (25% от радиуса Солнца). В его объеме сосредоточена половина солнечной массы и выделяется практически вся энергия, которая поддерживает свечение Солнца. За каждую секунду в центре Солнца в лучистую энергию превращается около 4,26 млн. тонн вещества. Это настолько огромная энергия, что когда все топливо израсходуется (водород полностью превратится в гелий), ее хватит для поддержания жизни на Земле еще на миллионы лет вперед.

Внутреннее строение солнца
Строение солнца. В центре Солнца находится солнечное ядро.
Фотосфера — это видимая поверхность Солнца, которая и является основным источником излучения. Солнце окружает солнечная корона, которая имеет очень высокую температуру, однако она крайне разрежена, поэтому видима невооружённым глазом только в периоды полного солнечного затмения.

Строение солнца
Примерное распределение температуры в солнечной атмосфере вплоть до самого ядра

Солнечное ядро

Солнечное ядро — самый глубокий из всех слоев Солнца, с температурой около 15 миллионов градусов по Кельвину. Плотность ядра составляет около 160 г/см3, что в десять раз больше, чем блок свинца, который считается одним из самых плотных объектов на Земле. Не удивительно, что 40% массы Солнца содержится в ядре, которое занимает только 10% его объема.

При таких высоких температурах и высоких плотностях, ядра водорода не отскакивают, когда бьют друг друга, но сливаются с образованием гелия. Это процесс ядерного синтеза, который отвечает за феноменальную энергию Солнца. Доли расплавленной массы преобразуется в энергию. Смесь этих реакций выпускает гамма-лучи и нейтрино с высокой энергией, которые начинают свое путешествие из внутреннего ядра к фотосфере. На своем пути, гамма-фотоны преобразуется в несколько фотонов с низкой энергией за счет столкновений с атомами газа. Нейтрино не останавливаются и проходят через солнечную оболочку, не вступая в реакции с другими элементами.

Солнечное ядро
Солнечное ядро

Радиационная оболочка

Следующий слой — это радиационный слой или конвективная зона. Температура здесь около 1,5 миллионов градусов Кельвина, а это означает, что термоядерные реакции не могут происходить в этом слое. Плотность существенно сокращается, и остальные 60% процентов от массы Солнца, содержится в 90% объема внешней оболочки Солнца. Оболочка Солнца передает тепло медленно, в направлении внешних слоев через конвекцию, благодаря температурному градиенту. Огромные ячейки циркулирующего газа выходят в конвекционный поток протяженностью в сотни километров. Вот почему эта оболочка называется конвективной зоной.

Фотосфера

В конце конвективной зоны находится фотосфера, которая и есть поверхностью Солнца. Только несколько сотен километров в толщину, это внешний и только видимый слой Солнца. Это слой, из которого испускаются солнечные лучи. Его состав может быть изучен на основе анализа спектра излучения Солнца. Фотосфера состоит из низко-температурных или холодных пятен, которые называются «Солнечные пятна». Они появляются из-за динамики магнитного поля Солнца и усиливаются периодически в 11 летнем цикле.

Солнечные пятна и гранулы на поверхности светила
Солнечные пятна и гранулы на поверхности светила

Хромосфера

За пределами фотосферы, находится один из самых тонких слоев Солнца — хромосфера. Она в основном состоит из водорода, который придает ей красный цвет, что хорошо видно во время солнечного затмения. Ее температура выше, чем фотосферы на 7000 градусов Кельвина.

Корона

Она окружает хромосферу и считается самым редким из всех слоев Солнца. Удивительно, но температура этого слоя в диапазоне от 1 до 3 миллионов градусов Кельвина! Источник нагрева короны до сих пор загадка. Существует гипотеза, что корона нагревается от влияния магнитного поля. Корона является свидетелем высокой вспышки энергии, которые называются солнечные вспышки. Их температура была зарегистрированы примерно в 11 миллионов градусов Кельвина.

В короне Солнца можно наблюдать массы выбрасываемых газов, которые называются протуберанцами.

Протуберанец
Протуберанец

Солнечный ветер

Вне короны, солнечный газ растягивается в виде солнечного ветра — частиц высокой энергии, таких как протоны и электроны, которые вылетают из Солнца и летят на край Солнечной системы и за ее пределы. На Земле мы защищены от этих частиц, скорость которых превышает 500 м/с, благодаря магнитному полю Земли, который задерживает эти частицы. Точка, в которой солнечный ветер достигает конца называется гелиопауза. Этот момент точно не изучен, так как солнечный ветер выходит далеко за пределы самых дальних границах Солнечной системы.

Солнечный ветер
Солнечный ветер

Энергия Солнца

Почему Солнце светит и не остывает уже миллиарды лет? Какое «топливо» даёт ему энергию? Ответы на эти вопросы учёные искали веками, и только в начале XX в. было найдено правильное решение. Теперь известно, что Солнце, как и другие звёзды, светит благодаря протекающим в его недрах термоядерным реакциям.

Термоядерная реакция на Солнце
Термоядерная реакция на Солнце

Основное вешество, составляющее Солнце, — водород, на его долю приходится около 71% всей массы светила. Почти 27% принадлежит гелию, а остальные 2% — более тяжёлым элементам, таким, как углерод, азот, кислород и металлы. Главным «топливом» на Солнце служит именно водород. Из четырёх атомов водорода в результате цепочки превращений образуется один атом гелия. А из каждого грамма водорода, участвующего в реакции, выделяется 6,×1011 Дж энергии.

На Земле такого количества энергии хватило бы для того, чтобы нагреть от температуры 0° С до точки кипения 1000 м3 воды.

В ядре происходит слияние ядра атомов легких элементов водорода в ядро атома более тяжелого водорода (такое ядро называется дейтерий). Масса нового ядра значительно меньше, чем суммарная масса тех ядер из которого оно образовалось. Остаток массы превращается в энергию, которую уносят частицы, освободившиеся в ходе реакции. Эта энергия почти полностью переходит в тепло. Результатом таких цепочек-превращений является возникновение нового ядра, состоящего из двух протонов и двух нейтронов, — ядра гелия. Такая термоядерная реакция превращения водорода в гелий, называется протон-протонной, так как начинается с тесного сближения двух ядер атомов водорода-протонов.

Реакция превращения водорода в гелий ответственна за то, что внутри Солнца сейчас гораздо больше гелия, чем на его поверхности. Естественно, возникает вопрос: что же будет с Солнцем, когда весь водород в его ядре выгорит и превратится в гелий, и как скоро это произойдет?

Оказывается, примерно через 5 млрд лет содержание водорода в ядре Солнца настолько уменьшится, что его «горение» начнется в слое вокруг ядра. Это приведет к «раздуванию» солнечной атмосферы, увеличению размеров Солнца, падению температуры на поверхности и повышению ее в ядре. Постепенно Солнце превратится в красный гигант — сравнительно холодную звезду огромного размера с атмосферой, превосходящей границы орбиты Земли. Жизнь Солнца на этом не закончится, оно будет претерпевать еще много изменений, пока в конце концов не станет холодным и плотным газовым шаром, внутри которого уже не происходит никаких термоядерных реакций.

Красный гигант
Примерно так будет выглядеть Солнце с поверхности Земли через 5 млрд. лет, когда водород в ядре полностью израсходуется. Солнце превратится в Красного Гиганта, ядро которого будет сильно сжато, а внешние слои находится в достаточно разряженном состоянии.

Как образовалось Солнце

Как и все звезды, наше Солнце возникло в результате длительного воздействия межзвездной материи (газа и пыли). Первоначально звезда представляла из себя шаровое скопления, состоящее преимущественно из водорода. Затем за счет гравитационных сил атомы водорода стали прижиматься друг к другу, плотность увеличивалась и в результате образовалось достаточно сжатое ядро. В момент загорания первой термоядерной реакции начинается официальное рождение звезды.

Жизненный цикл Солнца
Жизненный цикл Солнца

Звезда такой массы, как Солнце, должна существовать в общей сложности примерно 10 млрд лет. Таким образом, сейчас Солнце находится примерно в середине своего жизненного цикла (на данный момент ее возврат составляет около 5 млрд. лет). Через 4—5 млрд лет оно превратится в звезду типа красный гигант. По мере того, как водородное топливо в ядре будет выгорать, его внешняя оболочка будет расширяться, а ядро — сжиматься и нагреваться.

Примерно через 5 млрд лет, когда температура в ядре достигнет приблизительно 100 млн К, в нём начнётся термоядерная реакция синтеза углерода и кислорода из гелия. На этой фазе развития температурные неустойчивости внутри Солнца приведут к тому, что оно начнёт терять массу и сбрасывать оболочку. По-видимому, расширяющиеся внешние слои Солнца в это время достигнут современной орбиты Земли. При этом исследования показывают, что ещё до этого момента потеря Солнцем массы приведёт к тому, что Земля перейдёт на более далёкую от Солнца орбиту и, таким образом, избежит поглощения внешними слоями солнечной плазмы.

Несмотря на это, вся вода на Земле перейдёт в газообразное состояние, а большая часть её атмосферы рассеется в космическое пространство. Увеличение температуры Солнца в этот период таково, что в течение следующих 500—700 млн лет поверхность Земли будет слишком горяча для того, чтобы на ней могла существовать жизнь в её современном понимании.

После того, как Солнце пройдёт фазу красного гиганта, термические пульсации приведут к тому, что его внешняя оболочка будет сорвана и из неё образуется планетарная туманность. В центре этой туманности останется сформированная из очень горячего ядра Солнца звезда типа белый карлик, которая в течение многих миллиардов лет будет постепенно остывать и угасать.

Белый карлик
Белый карлик

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *