Жизненный цикл солнца
Солнце является молодой звездой третьего поколения (популяции I) с высоким содержанием металлов, то есть оно образовалось из останков звёзд первого и второго поколений (соответственно популяций III и II). Текущий возраст Солнца (точнее время его существования на главной последовательности), оценённый с помощью компьютерных моделей звёздной эволюции, равен приблизительно 4,5 млрд лет.
Считается, что Солнце сформировалось примерно 4,5 млрд лет назад, когда быстрое сжатие под действием сил гравитации облака молекулярного водорода привело к образованию в нашей области Галактики звезды первого типа звёздного населения типа T Тельца. Звезда такой массы, как Солнце, должна существовать на главной последовательности в общей сложности примерно 10 млрд лет. Таким образом, сейчас Солнце находится примерно в середине своего жизненного цикла. На современном этапе в солнечном ядре идут термоядерные реакции превращения водорода в гелий. Каждую секунду в ядре Солнца около 4 млн тонн вещества превращается в лучистую энергию, в результате чего генерируется солнечное излучение и поток солнечных нейтрино. По мере того, как Солнце постепенно расходует запасы своего водородного горючего, оно становится всё горячее, а его светимость медленно, но неуклонно увеличивается.
К возрасту 5,6 млрд лет, через 1,1 млрд лет от настоящего времени, наше дневное светило будет ярче на 11 %, чем сейчас. Уже в этот период, ещё до стадии красного гиганта, возможно исчезновение жизни из-за повышения температуры поверхности Земли, вызванного увеличением яркости Солнца и парникового эффекта, индуцированного парами воды. К этому моменту Солнце достигнет максимальной поверхностной температуры (5800 К) за всё своё время эволюции в прошлом и будущем вплоть до фазы белого карлика; на следующих стадиях температура фотосферы будет меньше. Несмотря на прекращение жизни в её современном понимании, жизнь может остаться в океанах.
К возрасту 8 млрд лет (через 3,5 млрд лет от настоящего времени) яркость Солнца возрастёт на 40 %. К тому времени условия на Земле будут подобны условиям на Венере сегодня: вода с поверхности планеты исчезнет полностью и улетучится в космос. Эта катастрофа приведёт к окончательному уничтожению всех форм жизни на Земле. По мере того как водородное топливо в солнечном ядре будет выгорать, его внешняя оболочка будет расширяться, а ядро — сжиматься и нагреваться.
К возрасту 10,9 млрд лет (6,4 млрд лет от настоящего времени), водород в ядре кончится, а образовавшийся из него гелий, ещё неспособный в этих условиях к термоядерному горению, станет сжиматься и уплотняться ввиду прекращения ранее поддерживавшего его «на весу» потока энергии из центра. Горение водорода будет продолжаться в тонком внешнем слое ядра. На этой стадии радиус Солнца увеличится в 1,59 раз, а светимость будет в 2,21 раза больше современной. В течение следующих 0,7 млрд лет Солнце будет относительно быстро расширяться (до 2,3 раз), сохраняя почти постоянную светимость, а его температура упадёт с 5500 K до 4900 K. В конце этой фазы, достигнув возраста 11,6 млрд лет (через 7 млрд лет от настоящего времени) Солнце станет субгигантом.
К возрасту 12,2 млрд лет, приблизительно через 7,6-7,8 миллиардов лет ядро Солнца разогреется настолько, что запустит процесс горения водорода в окружающей его оболочке. Это повлечёт за собой бурное расширение внешних оболочек светила, и таким образом Солнце покинет главную последовательность, на которой оно находилось почти с момента своего рождения, и станет красным гигантом. В этой фазе радиус Солнца увеличится в 256 раз по сравнению с современным. Расширение звезды приведёт к сильному увеличению её светимости (в 2700 раз) и охлаждению поверхности до 2650 К. По-видимому, расширяющиеся внешние слои Солнца в это время достигнут современной орбиты Земли. При этом исследования показывают, что ещё до этого момента из-за усиления солнечного ветра вследствие многократного увеличения площади поверхности Солнце потеряет более 28 % своей массы, что приведёт к тому, что Земля перейдёт на более далёкую от Солнца орбиту и, таким образом, избежит поглощения внешними слоями солнечной плазмы. Хотя Земля, скорее всего, всё-таки будет поглощена Солнцем вследствие замедления вращения Солнца и последующих приливных взаимодействий с его внешней оболочкой, которые приведут к приближению орбиты Земли обратно к Солнцу. Даже если наша планета избежит поглощения Солнцем, вся вода на ней перейдёт в газообразное состояние, а её атмосфера будет сорвана сильнейшим солнечным ветром.
Данная фаза существования Солнца продлится лишь около десяти миллионов лет. Когда температура в ядре достигнет 100 млн К, произойдёт гелиевая вспышка, и начнётся термоядерная реакция синтеза углерода и кислорода из гелия. Солнце, получившее новый источник энергии, уменьшится в размере до 9,5 современных размеров солнца. Спустя 100—110 млн лет, когда запасы гелия иссякнут, повторится бурное расширение внешних оболочек звезды, и она снова станет красным гигантом. Этот период существования Солнца будет сопровождаться мощными вспышками, временами его светимость будет превышать современный уровень в 5200 раз. Это будет происходить от того, что в термоядерную реакцию будут вступать ранее не затронутые остатки гелия. В таком состоянии Солнце просуществует около 20 млн лет.
Масса Солнца недостаточна для того, чтобы его эволюция завершилась взрывом сверхновой. 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 сформированный из ядра Солнца белый карлик, очень горячий и плотный объект, но размером только с Землю. Изначально этот белый карлик будет иметь температуру поверхности 120 000 К и светимость 3500 солнечных, но в течение многих миллионов и миллиардов лет будет остывать и угасать. Данный жизненный цикл считается типичным для звёзд малой и средней массы.
Источник
Эволюция Солнца
Наше Солнце – типичный пример звезды, эволюционировавшей из звездной туманности 4,6 миллиарда лет назад. Но как выглядит рождение и развитие Солнца? Давайте внимательно изучим этапы солнечной эволюции.
Рождение и эволюция Солнца
Солнце и все ближайшие планеты начали свое существование в гигантском облаке молекулярного газа и пыли. Примерно 4,6 миллиарда лет назад это облако под воздействием внешних сил (гравитационного поля ближайших звезд или выброса энергии сверхновой) начало сжиматься. Во время сжатия внутренние силы газа и взаимодействие частиц пыли сформировали участки пространства с большей плотностью материи. Эти скопления позже дадут начало жизни бесчисленного количества звездных систем, в том числе и нашей.
В процессе сжатия скоплений из-за сил взаимодействия частиц наша будущая звезда начала вращаться. Центробежная сила создала большой шар материи в центре и плоский диск из пыли и газа ближе к краю новосозданной системы. Из центрального шара позже образуется Солнце, а из диска – планеты и астероиды. В течение первых ста тысяч лет после сжатия газового облака Солнце было коллапсирующей протозвездой. Это продолжалось пока температура и давление звезды не привели к воспламенению ее центральной части – ядра. С этого момента наша звезда превратилась в светило типа Т Тельца – очень активную звезду с сильным солнечным ветром. Со временем Солнце постепенно стабилизировалось и обрело свою теперешнюю форму. Так началась жизнь нашей ближайшей звезды, но это лишь первый этап эволюции Солнца.
Основной этап эволюции Солнца
Солнце в собственном развитии находится на основном этапе жизни, как и большинство звезд во Вселенной. В ее ядре ежесекундно 600 миллионов тонн водорода превращается в гелий и производится 4*1027 Ватт энергии. Этот процесс в ядре Солнца начался 4,6 миллиарда лет назад и не менялся с тех пор. Но запас гидрогена в звезде не безграничен: горючего светилу хватит еще на 7 миллиардов лет жизни.
Чем больше в звезде накапливается гелия, тем больше сгорает водорода. Следствием этого является больший выход энергии и увеличение яркости свечения. Вы едва ли заметите эти изменения в краткосрочной перспективе, но за последующий миллиард лет Солнце станет ярче на 10%. А это уже не обещает ничего хорошего Земле и другим планетам нашей системы.
Увеличение выхода энергии ядерного синтеза внутри Солнца за миллиард лет приведет к сильному парниковому эффекту на Земле, подобному тому, что происходит сейчас на Венере. Со временем влага, содержащаяся в атмосфере планеты, выветрится усиленным солнечным излучением.
Через 3,5 миллиарда лет Солнце будет ярче уже на 40%, чем сейчас. Температура на поверхности Земли увеличится настолько, что существование на ней жидкой воды станет невозможным. Океаны выкипят, и пар не задержится в атмосфере. Ледники растают, а снег останется лишь мифом давно забытых времен. Все условия для жизни на планете будут уничтожены безжалостным солнечным излучением. Наша голубая планета окончательно превратится в раскаленную высушенную Венеру.
Смерть звезды
Туманность Эскимос как наглядная картинка вероятной смерти нашего Солнца
Ничто не вечно. Это правило справедливо для всего: для нас, для нашего дома – Земли и для Солнца. Хоть конец Солнечной системы и не произойдет завтра и не выпадет на век кого-либо из живущих сегодня, когда-нибудь в далеком будущем звезда израсходует все топливо и отправится в последний путь, к забвению. Как же закончится развитие Солнца?
Примерно через 6 миллиардов лет Солнце израсходует все запасы водорода в ядре. После этого инертный гелий, накопившейся в ядре звезды, станет нестабильным и начнет коллапсировать под собственным весом. Вследствие этого ядро начнет нагреваться и уплотняться. Солнце начнет увеличивать свои размеры, пока не перейдет в стадию красного гиганта. Растущая звезда поглотит Меркурий, Венеру и, наверное, даже Землю. Но даже в случае, если наша планета уцелеет, жар от раскаленной звезды нагреет ее поверхность и превратит в настоящий ад для любой известной органической жизни.
Когда Солнце окончательно сгорит?
Последовательность ядерного синтеза внутри звезд
Смерть любой звезды, находящейся в стадии красного гиганта, не за горами. У Солнца будет еще достаточно температуры и давления, чтобы начать следующий этап ядерного синтеза: из гелия, который в этот раз будет топливом, синтезируется углерод. Этот этап займет около ста миллионов лет – до того момента, когда выгорит весь гелий. В конце оболочка станет нестабильной, и звезда начнет усиленно пульсировать. За весьма короткий промежуток времени эти пульсации выбросят в открытый космос большую часть атмосферы Солнца.
Когда от атмосферы недавнего гиганта ничего не останется, вместо большой и яркой звезды в пространстве повиснет белый карлик – небольшое, размером с Землю, светило из чистого карбона, по массе равное звезде. Алмаз размером с нашу планету будет еще долго светиться тепловым излучением, но этого недостаточно для ядерного синтеза. Со временем он остынет до температуры окружающей среды – пары градусов выше абсолютного нуля.
Так закончится жизнь нашего Солнца – одиноким алмазным постаментом.
Взорвется ли Солнце?
Крабовидная туманность — яркий пример остатка сверхновой
Нет ни одного реалистичного сценария, по которому Солнце бы взорвалось. Хоть нам она и кажется огромной, наша звезда невелика относительно невообразимо больших звезд, которыми полна Вселенная. Даже когда Солнце сжигает весь гидроген, она сначала растет, а потом уменьшается до размера небольшой планеты, медленно остывая триллионы лет.
Для того чтобы звезда взорвалась, ее масса должна значительно превышать массу Солнца. Если бы наша звезда была бы в десяток раз больше, тогда можно было бы говорить о взрыве. Сверхмассивные звезды после расходования водорода и гелия продолжают синтез более тяжелых элементов – вплоть до железа, синтез которого не сопровождается выделением энергии. Тогда внутреннее давление звезды, удерживавшее ее от воздействия гравитационных сил, исчезает, и звезда взрывается, выбрасывая в космос огромное количество энергии.
После взрыва от таких звезд остаются нейтронные звезды, которые быстро вращаются вокруг своей оси, или даже черные дыры.
Помните, масса Солнца слишком мала, чтобы когда-либо взорваться. И этого не произойдет, так что переживать не стоит.
Источник
Этапы жизненный цикл солнца
ГЛАВА I. Рождение солнца 5
ГЛАВА II. Наше Солнце изнутри 5
ГЛАВА III. Жизнь Солнца 7
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 10
ВВЕДЕНИЕ
Вся наша жизнь (и вообще жизнь на Земле) зависит Солнца. Его лучи, долетая до поверхности нашей планеты за восемь с лишним секунд, его свет, тепло и энергия перерабатываются растениями в питательные вещества, за счет которых и живут. Травоядные животные питаются растениями, ими, в свою очередь, питаются хищные животные. А мы, люди, употребляем в пищу и тех, и других, и третьих. То есть – живем за счет Солнца.
Солнце – это неиссякаемый источник энергии; чтобы выработать столько энергии, сколько вырабатывает Солнц, нужна работа 1500000 электростанций. А еще это источник большого числа витаминов, которые жизненно необходимы для того, чтобы могли расти, бегать, прыгать, радоваться – то есть опять просто жить.
Когда у нас плохое настроение, увидев лучик солнца, мы начинаем улыбаться. Говорят, что люди, живущие в районах, где бывает мало солнца, мало улыбаются.
И, наконец, нас всегда привлекал тот факт, что все вокруг нас создано из тех веществ, которые получаются в недрах Солнца. Мы – частички звезд, и прежде всего – частички Солнца.
Люди давно интересовались ослепительным шаром, которое появлялось утром на небосклоне, а вечером закатывалось за горизонт, погружая весь мир во тьму. Кем только не было наше Солнце в фантазиях людей: Богом, сыном Бога, прекрасной девушкой, человеком, у которого светятся подмышки, когда он поднимает руки и т.д. Но почти всегда Солнце – это красота и добро для людей [4].
Знания современных ученых о нашей звезде уже трудно сравнивать со знаниями людей в те далекие времена. Ученые взвесили Солнце (1,9891х10 в тридцатой степени кг), измерили его (1,392 х 10 в девятой степени м), дали ему имя и место среди других звезд (желтый карлик спектрального класса G2 V, звезда минус 27-й величины в одном из спектральных рукавов на окраине галактики Млечный Путь), заглянули внутрь его. В книгах можно прочитать о том, что такое солнечный ветер, солнечные затмения, что такое солнечные пятна, протуберанцы и т.д. Но до сих пор наше родное Солнце астрономы называют «черным ящиком», ведь наблюдать можно лишь то, что есть на «выходе» из него. Почти все теории о нем появились на основе наблюдений за излучениями самой поверхности Солнца. Другими словами, можно задать еще много вопросов о единственной звезде в нашей системе, а ответы будут лишь гипотезами, то есть предположениями.
Цель нашей работы – описать систему современных представлений о Солнце, его жизненном цикле. Мы попробуем сравнить жизнь звезды с жизнью человека, выделив в ней рождение, «рост» и «смерть», и зададим вопросы о Солнце, на которые до сих пор не получены полные ответы.
ГЛАВА I. РОЖДЕНИЕ СОЛНЦА
Наше Солнце родилось очень давно – около 4,6 млрд лет назад. Его рождение, как и рождение человека, включало в себя много энергии и борьбы. Представим себе гигантское облако, состоящее из молекул водорода, царство газа и пыли. Здесь начинается борьба двух сил: сжатия и одновременно – расширения. Будущая звезда начинает очень быстро вращаться, и в ее центре образуется огромный шар. Так появляется протозвезда. Теперь главными становятся процессы сжатия, и примерно через 100000 лет она становится прозрачной для своего излучения. Наступает поразительный момент и завораживающий момент – протозвезда яркой вспышкой превращается собственно в Солнце.
Одновременно с Солнцем рождались и планеты – из газа и пыли на окраине этой системы [5].
Есть вопросы, на которые до сих пор не получены научные ответы. Например, по какой причине запустились все эти процессы? Скорее всего, действовало притяжение (гравитация) соседних звездных систем, а может быть, недалеко (по космическим меркам) взорвалась сверхновая.
ГЛАВА II. Наше Солнце изнутри
Начнем с того, что Солнце имеет диаметр, который в 110 раз больше диаметра Земли, и оно очень богато ядреным топливом. Давайте спустимся вглубь и познакомимся с его недрами [3, 4].
В самой середине находится солнечное ядро, где происходит превращение водорода в гелий. Именно здесь Солнце получает все свое тепло, энергию и свет (температура около 15 млн. градусов!), все остальные слои Солнца лишь нагреты этой энергией. Поэтому, изучая строение Солнца и двигаясь наружу, надо помнить, что плотность и температура материи будут уменьшаться.
Следующий слой – фотосфера, ее толщина – 7-8000 км. Она похожа на жидкую, будто очень раскаленную лаву. Фотосфера интересна тем, что непрозрачна, но при этом это главный источник излучения Солнца. Она поглощает и как бы переделывает, «переизлучает» ту энергию, тот свет, который получает из ядра.
После фотосферы можно выделить хромосферу. Ее мы уже может увидеть самостоятельно при солнечном затмении. Один итальянский астроном, живший в 18 веке, сравнил хромосферу с горящими прериями. Дело в том, что она красноватого цвета, и из ее поверхности постоянно происходят горячие выбросы, которые ученые называют «спикулами». В каждый момент на Солнце можно зарегистрировать около половины миллиона спикул. Говорят, что это захватывающее зрелище.
И наконец – солнечная корона. Это самый внешний, самый поверхностный слой Солнца. Просто удивительно, что границы нашего Солнца, по мнению многих ученых, продолжаются до самых границ Солнечной системы, то есть мы с вами живем в солнечной короне. Ее, как и хромосферу можно увидеть во время солнечного затмения как лучистое облако вокруг темного Солнца. Она имеет два слоя: внутренний – бледно-желтый, и внешний – белого цвета. Солнечная корона – это источник радиоизлучения.
Каждый из нас слышал о солнечных пятнах, но редко знает точно, что это такое. В прошлом они считались загадочными, а часто просто пугающими. Так вот, солнечные пятна – это участки на Солнце, которые выглядят темнее по сравнению с соседними по причине того, что их температура ниже. В этих местах магнитные поля выходят наружу. Поэтому, когда солнечных пятен мало, Солнце называют «спокойным», а когда много – «активным». Целая обсерватория в Бельгии занимается подсчетом их количества, многие ученые изучают это явление, но до сих пор остаются вопросы. Проблема магнитной активности Солнца чрезвычайно важна, так как она влияет на здоровье космонавтов, может вывести из строя спутники, отражается на нашем здоровье и внешности.
Итак, казалось бы, что ученые знают почти все о строении Солнца. Но в последнее время наблюдения заставляют пересматривать привычные для нас теории. Например, может Солнце – это не гигантский газовый шар, а имеет внутри железное ядро? Почему Солнце так активно в последнее время? И т.д.
ГЛАВА III. Жизнь Солнца
Давным-давно люди считали, что Солнце как было, так и останется именно таким, каким мы видим его почти каждый день на небе. Хотелось бы верить, что оно так и будет светить, даря нам тепло и жизнь еще много лет, останется таким же добрым светилом. Но, к сожалению, это не так. Как человек, взрослея, меняется, так и наше Солнце будет проходить по мере своей жизни через различные этапы [3].
Сейчас Солнце – так называемый желтый карлик – находится на основном этапе жизни звезд. Но жизнь звезды можно сравнить с бегуном. Когда легкоатлет начинает свой забег, он полон сил и энергии. Но в процессе бега он теряет силы, его скорость падает. Если он что-либо перекусит и выпьет воду, он может бежать дальше. А вот Солнце этой возможности не имеет. Его горючее постепенно расходуется (правда, его должно хватить еще на 7 млрд. лет). Солнце будет светить еще ярче, например, в ближайший миллиард лет его яркость увеличится уже на 10%, а через 4 млрд. – уже на 40%. Казалось бы, не большие цифры, но посмотрим, что делается в это время на Земле. Уже в первом случае — сильнейший парниковый эффект, испаряется влага. Земля становится похожей на сегодняшнюю Венеру. Затем на Земле становится так жарко, что растают ледники и выкипают океаны, а пар улетучивается в космос. Солнце теперь – не доброе светило, и вся жизнь уничтожена его излучением. Теперь если из космоса посмотреть на Землю, мы уже не увидим прекрасный голубой шар.
Вернемся к Солнцу. Через 6 млрд.лет Солнце начинает увеличиваться в размерах и даже поглощает ближайшую к себе планету – Меркурий. Когда выгорает весь гелий, звезда начинает пульсировать, и большая часть ее атмосферы улетает в космос. Вместо огромного яркого шара на месте Солнца теперь – белый карлик размером с Землю. Через триллионы лет он остынет почти до абсолютного нуля. Так закончится жизнь Солнечной системы, а оставшиеся облака пыли и газа станут кирпичиками для новых звезд и планет – вспомним, как начинало свою жизнь наше Солнце и вся Солнечная система.
Но ведь звезды, умирая, взрываются и превращаются в нейтронные звезды или даже черные дыры, наверное, самые таинственные явления космоса! Большинство ученых считают, что такое развитие событий – не о нашем Солнце. Дело в том, что чтобы произошел подобный взрыв, Солнце должно быть в несколько раз больше и массивнее
Что же делать нам, точнее, нашим потомкам? Самый верный путь – это «переехать» на другую планету, потому что представить, что в будущем мы сможет изменять течение термоядерных реакций в звездах, влиять на их жизненные циклы, пока сложно. Астрономы заняты поиском планет, которые была бы похожи на нашу Землю, но пока безрезультатно. Правда, на это у них есть тысячи и тысячи лет…
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Солнце – это источник всего живого на нашей планете; это «первоисточник» земной энергии. Это причина солнечных ветров, магнитных бурь, климата Земли. С помощью своих смелых идей, а затем и специальных инструментов (солнечных телескопов и т.д.) люди многое узнали о нем.
Но несмотря на множество интересных и верных теорий о самой близкой к нам звезде, есть вопросы, на которые не удалось получить полного ответа. В чем причина яркого свечения Солнца? Что все-таки находится внутри этого газового шара? Почем магнитное поле Солнца переворачивается, меняет свою полярность? Как быстро узнавать о солнечных ветрах, чтобы защищать космонавтов от радиации? Почему иногда пятен на Солнце мало, а иногда – много?
Все эти вопросы ждут своих исследователей, ведь от ответов на них зависит очень многое на нашей планете.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Вселенная: Иллюстрированный атлас // Марк А. Гарлик. – М.: Махаон, 2013. – 128 с.
Комаров В. Занимательная астрономия. – Смоленск: Русич, 1999. – 272 с.
Космос: Школьный путеводитель / С.Ю. Афонькин. – СПб.: Тимошка, 2003. – 96 с.
Я познаю мир: Астрономия: Энциклопедия. – М.: АСТ, 2007. – 381 с.
Источник