Как устроено Солнце?
» Солнце » Как устроено Солнце?
Солнце, подобно луковице, состоит из нескольких сферических слоев. Вещество в них отличается по своим свойствам, а энергия там распространяется посредством разных физических процессов. Первым идет ядро, затем область лучистого переноса энергии, далее конвективная зона и, наконец, атмосфера. В атмосфере также выделяют несколько областей: фотосферу, хромосферу и корону.
Ядро — это центральная область Солнца радиусом около 150 000 км. В этом объеме сосредоточена примерно половина солнечной массы и выделяется практически вся энергия, которая поддерживает свечение Солнца. Материя ядра сильно сжата тяжестью внешних слоев, поэтому само оно очень тяжелое: плотность вещества в ядре в 150 раз больше плотности воды (примерно 150 т/м3).
В центральной части Солнца — температура 15 млн °С и сверхвысокие давления. Здесь протекают термоядерные реакции, в результате которых высвобождается огромное количество энергии и образуются ядра новых химических элементов. Эта энергия представляет собой электромагнитное излучение сверхкоротких длин волн.
Просачивание (перенос) излучения из центра Солнца к поверхности совершается крайне медленно. При этом от слоя к слою гамма-кванты слабеют. Сперва они превращаются в кванты рентгеновских лучей, затем в ультрафиолетовые. То есть частота и энергия излучения по мере продвижения к поверхности светила уменьшаются. Пройдут тысячи лет, прежде чем родившиеся в недрах гамма-кванты выйдут из него фотонами видимого света.
Электромагнитная энергия из ядра поступает в область лучистого переноса энергии (радиационную зону). Эта область достигает длины до 70% радиуса Солнца и представляет собой оболочку из газа очень высокой температуры. Здесь энергия распространяется путем поглощения и излучения веществом квантов. При этом коротковолновое гамма-излучение превращается в рентгеновское с большей длиной волны. Плотность, температура и давление уменьшаются по мере удаления от ядра, и в этом же направлении идет поток энергии. В целом этот процесс крайне медленный. По мере удаления от ядра температура газа понижается.
Конвективная область — это сферическая оболочка, лежащая выше радиационной зоны. Толщина этой оболочки составляет 1/10 часть радиуса Солнца. Плазма конвективной области подвижна, солнечное вещество здесь кипит и перемешивается. Отсюда внутреннее тепло Солнца перетекает по столбам горячего газа к поверхности светила. Там происходит потеря тепла, газ охлаждается и погружается обратно к центру.
Конвективная зона начинается примерно на расстоянии 0,7 радиуса от центра и простирается практически до самой видимой поверхности Солнца (фотосферы), где перенос основного потока энергии вновь становится лучистым. Иными словами, доставленная на поверхность энергия передается дальше в виде излучения.
Вырываясь на поверхность Солнца, столбы горячего газа, несущие тепло к его поверхности, как бы взрыхляют ее, как кроты, роющие свои ходы к поверхности земли. Поэтому поверхность Солнца похожа на рыхлую почву. Ширина таких неровностей достигает тысячи километров, а время «выравнивая» составляет от 8 до 20 мин. При рассмотрении с расстояния поверхность Солнца выглядит как бурлящее море, состоящее из отдельных ячеек горячего газа — гранул.
Как уже отмечалось, солнечная атмосфера включает несколько областей (в направлении к поверхности): фотосферу, хромосферу и корону. Первая наслаивается на конвективную область и имеет толщину 300 км. Температура газа на границе с конвективной областью — приблизительно 10 000°С, а температура верхней области фотосферы гораздо ниже — 5000°С.
Фотосфера — это светящаяся оболочка Солнца. Когда мы смотрим на наше светило, то видим именно фотосферу. Излучение Солнца, которое известно как солнечный свет, представляет собой смесь электромагнитных волн от инфракрасных (ИК) до ультрафиолетовых (УФ) лучей. Оно включает в себя видимый свет, который находится между ИК- и УФ-излучением в электромагнитном спектре.
Слой атмосферы Солнца, который находится над фотосферой, называется хромосферой. Он имеет красновато-фиолетовый цвет. Хромосферу можно наблюдать во время солнечных затмений — огненные языки, которые видны вокруг лунного диска, закрывающего Солнце.
Хромосфера состоит из разряженных газов. Плотность вещества в ее верхней части очень мала — приблизительно 10—12 г/см3. Толщина хромосферы — 10 000—15 000 км, а температура огненных языков в десятки раз больше температуры в фотосфере. Она повышается от 5500 до 10 000°С. В верхней части хромосферы температура солнечного вещества достигает порядка 20 000°С.
Самая внешняя часть атмосферы Солнца — солнечная корона. Она обладает огромной протяженностью: простирается на миллионы километров, что соответствует нескольким солнечным радиусам. Корона состоит из разряженных ионизованных газов, температура которых выше, чем в других частях солнечной атмосферы, и составляет миллион градусов. Частицы вещества в солнечной короне движутся с огромными скоростями.
Очень высокая температура солнечной короны возникает в результате того, что в нее из глубинных оболочек звезды выбрасывается огромное количество пылающего солнечного вещества (газов и плазмы), которое нагревает солнечную корону.
Корону можно наблюдать во время солнечного затмения. Ее яркость невелика по сравнению с фото- и хромосферой. Самая яркая часть называется внутренней короной. Она находится от поверхности Солнца на высоте более одного солнечного радиуса.
Корона имеет лучистую структуру, то есть обладает слабым свечением. Сила этого свечения приблизительно такая же, как у свечения Луны в полнолуние. Вещество солнечной короны, выбрасываемое в межзвездное пространство, называют солнечным ветром.
Солнечный ветер представляет собой почти постоянный поток элементарных частиц (электронов, протонов, нейтрино) и ядер различных атомов. Этот поток проходит сквозь дыры в солнечной короне и выбрасывается под воздействием сильного магнитного поля в космическое пространство. По мере удаления от Солнца скорость солнечного ветра возрастает. Около Земли она может достигать 400—500 м/с. Солнечный ветер уходит далеко за пределы Солнечной системы. При его усилении принято говорить о магнитных бурях — сильном выбросе частиц Солнцем.
Источник
Школьная Энциклопедия
Nav view search
Навигация
Искать
Как устроено Солнце
Подробности Категория: Солнце Опубликовано 03.10.2012 15:33 Просмотров: 8083
Солнце – центральное тело Солнечной системы. Оно представляет собой очень горячий плазменный шар.
Солнце – ближайшая к Земле звезда. Свет от него доходит до нас за 8 ⅓ мин. Благодаря Солнцу образовались все тела Солнечной системы и создались условия для возникновения и развития жизни на Земле.
Гипотеза возникновения Солнца
Ученые предполагают, что Солнце возникло вместе с другими телами Солнечной системы из газопылевой туманности примерно 5 млрд. лет назад. Сначала вещество Солнца сильно разогревалось из-за гравитационного сжатия, но затем температура и давление в недрах Солнца настолько увеличились, что самопроизвольно начали происходить ядерные реакции. В результате резко поднялась температура в центре Солнца, а давление в его недрах возросло настолько, что смогло уравновесить силу тяжести и остановить гравитационное сжатие. Так возникла современная структура Солнца. Эта структура поддерживается происходящим в его недрах медленным превращением водорода в гелий. За время существования Солнца уже около половины водорода в его центральной области превратилось в гелий. В результате этого процесса выделяется то количество энергии, которое Солнце излучает в мировое пространство.
У Солнца огромная мощность излучения: 3,8∙10²° МВт. На Землю попадает только ничтожная часть солнечной энергии, лишь половина миллиардной доли. Она поддерживает в газообразном состоянии земную атмосферу, постоянно нагревает сушу и водоемы, дает энергию ветрам и водопадам, обеспечивает жизнь животным и растениям. Часть солнечной энергии хранится в недрах Земли в виде каменного угля, нефти и других полезных ископаемых. Средний диаметр Солнца составляет 109 диаметров Земли (1 392 000 км).
Строение Солнца
Солнце представляет собой сферически симметричное тело, находящееся в равновесии. Физические условия одинаковы на одинаковых расстояниях от центра, но они заметно меняются по мере приближения к центру. Чем больше вглубь, тем плотность и давление нарастают, сжатые давлением вышележащих слоев. Солнце можно разделить на несколько концентрических слоев, постепенно переходящих друг в друга.
В центре Солнца огромная температура: 15 млн. градусов! Давление превышает сотни миллиардов атмосфер. Сжатие газа тоже огромной плотности. Почти вся энергия Солнца генерируется в центральной части (ядре) с радиусом примерно в ⅓ солнечного. Через окружающие слои эта энергия передается наружу. На протяжении последней трети радиуса находится конвективная зона. Что такое конвекция, вам легче будет понять, если обратиться к кипящему чайнику: количество энергии для нагревания гораздо больше той, которая отводится теплопроводностью.
Поэтому вещество приходит в движение и начинает само переносить тепло. Вы можете спросить, как же можно было об этом узнать при таких характеристиках Солнца? Да, указанные слои Солнца наблюдать невозможно. Об их существовании мы знаем либо из теоретических расчетов, либо на основании косвенных данных.
Над конвективной находятся уже видимые слои Солнца, т.е. его атмосфера. Эти слои изучены лучше, об их свойствах можно судить из наблюдений.
Солнечная атмосфера
Атмосфера Солнца также состоит из нескольких различных слоев. Самый глубокий и тонкий из них – фотосфера, наблюдаемая в видимом непрерывном спектре. Ее толщина всего 300 км. Чем глубже слои фотосферы, тем они горячее.
В телескоп можно увидеть характерную зернистую структуру фотосферы. Это впечатление зернистости создают чередования маленьких светлых пятнышек (гранул) размером около 1000 км, окруженных темными промежутками. Возникновение грануляций связано с происходящей под фотосферой конвекцией. Отдельные гранулы намного горячее окружающего их газа. В течение нескольких минут их распределение по диску Солнца меняется. В гранулах происходит движение газа, похожее на конвективное. Возникшие в конвективной зоне и фотосфере волны нагревают газы в последующих слоях атмосферы Солнца – хромосфере и короне. Поэтому верхние слои фотосферы – самые «холодные» на Солнце, их температура около 4500 К. Слой хромосферы во время полного солнечного затмения, когда Луна полностью закрывает фотосферу, виден в виде розового кольца, окружающего диск. На краю хромосферы видны как бы выступающие язычки пламени – хромосферные спикулы. Тогда же можно наблюдать и спектр вспышки, который состоит из водорода, гелия, ионизированного кальция и других элементов.
Чем отличается хромосфера от фотосферы? Более неправильной неоднородной структурой. Температура в хромосфере быстро растет и в верхних слоях достигает десятков тысяч градусов.
Самая внешняя и разреженная часть солнечной атмосферы – корона.
Температура ее – около миллиона градусов. Корону можно видеть только во время полного солнечного затмения либо с помощью коронографа.
Вся солнечная атмосфера постоянно колеблется волнами длиной в несколько тысяч километров. Период колебаний – около 5 минут.
Солнечные магнитные поля
На Солнце все вещество представлено в виде намагниченной плазмы. Периодически в отдельных областях она скапливается в большем количестве, тогда говорят о солнечной активности: факелы, пятна, протуберанцы — плотные конденсации относительно холодного (по сравнению с солнечной короной) вещества, которые поднимаются и удерживаются над поверхностью Солнца магнитным полем в короне. Все слои солнечной атмосферы захватывают солнечные вспышки.
Солнечное радиоизлучение
Солнце – мощный источник радиоизлучения. Сантиметровые волны излучает хромосфера, дециметровые и метровые – корона. Во время сильных солнечных вспышек радиоизлучение Солнца возрастает в тысячи и миллионы раз по сравнению со спокойным «поведением» Солнца.
Рентгеновские лучи Солнца
Они исходят в основном от верхних слоев хромосферы и короны. В годы максимальной солнечной активности бывает особенно сильное излучение.
Другие виды солнечного излучения
Солнце является также источником постоянного потока частиц: нейтрино, электронов, протонов, альфа-частиц – корпускулярное излучение Солнца. Значительная часть этого излучения – поток плазмы (солнечный ветер), являющийся продолжением солнечной короны. Он дует постоянно и в результате отдельные области на Солнце являются источниками корпускулярных потоков. С солнечными вспышками связаны и космические лучи – частицы с большими энергиями.
Источник
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