Почему Солнце до сих пор не сгорело?
Персональный обогреватель нашей планеты невероятно эффективен.
Наше Солнце — довольно средняя звезда в галактике Млечный путь — не самая яркая, не самая большая и существует всего 4,5 миллиарда лет. Она уникальна только тем, что её свет и тепло поддерживают жизнь на единственной обитаемой планете, которую мы знаем во Вселенной. К счастью для нас, людей, Солнце не сгорело с тех пор, как мы появились несколько сотен тысяч лет назад. Но откуда у него могло быть столько топлива? Почему оно не погасло, как свеча или костер? И когда оно наконец сгорит?
Это был насущный вопрос в XIX веке. В 1848 году немецкий естествоиспытатель Роберт фон Майер ( Robert von Mayer) выдвинул гипотезу, согласно которой Солнце нагревается благодаря бомбардировке его метеоритами. Разумеется, эта теория даже в то время не выдерживала критики. Поэтому, во второй половине XIX века наиболее правдоподобной считалась теория, выдвинутая немецким и британским физиками Германом Гельмгольцем ( Hermann von Helmholtz) и Уильямом Томсоном (лордом Кельвином), согласно которой Солнце нагревается за счёт медленного гравитационного сжатия. Этот процесс известен, как механизм Кельвина — Гельмгольца — остывание поверхности небесного тела приводит к падению внутреннего давления, из-за чего звезда сжимается, что в свою очередь приводит к разогреванию её ядра.
Однако, основанные на этом механизме расчёты оценивали максимальный возраст Солнца в 20 млн лет, что значительно меньше его действительного возраста.
Согласно другой гипотезе, популярной в XIX веке, Солнце буквально горит, т.е. происходит химическая реакция, которую мы видим, когда зажигаем спичку или разводим костер. Но и расчеты возраста Солнца по это гипотезе давали результат, который не соответствовал тому, что мы знали о возрасте Солнечной системы — 4,5 миллиарда лет. Если бы Солнце сжималось или горело, у него бы закончилось топливо задолго до того, как мы появились в этом мире. Очевидно, что-то происходило ещё, помимо сжатия и горения.
Спустя несколько десятилетий, в 1920-х годах, было найдено правильное объяснение механизмов «горения» Солнца. Сначала «отец» ядерной физики и лауреат Нобелевской премии по химии 1908 года Эрнест Резерфорд ( Ernest Rutherford) предположил, что источником энергии Солнца является радиоактивный распад .
Позднее, вооружившись знаменитым уравнением Эйнштейна E=mc², которое утверждает, что всё, что имеет массу, должно иметь эквивалентное количество энергии, британский астрофизик Артур Стэнли Эддингтон ( Arthur Stanley Eddington) предположил, что Солнце фактически преобразует свою массу в энергию. Вместо печи, которая превращает древесину и уголь в золу (попутно испуская свет и тепло), центр Солнца больше похож на гигантскую атомную электростанцию.
Солнце содержит огромное количество атомов водорода. Как правило, нейтральный атом водорода содержит положительно заряженный протон и отрицательно заряженный электрон, который вращается вокруг него. Когда этот атом встречает один из других атомов водорода, их соответствующие внешние электроны магнитно отталкиваются друг друга. Это предотвращает столкновение и слияние протонов друг с другом. Но ядро Солнца настолько горячее и сжатое, что атомы носятся с такой громадной кинетической энергией, что они преодолевают силу, связывающую их частицы вместе, и электроны отделяются от своих протонов. Это означает, что протоны, обычно защищенные электронами внутри ядра атома водорода, могут соприкасаться друг с другом и соединяются вместе в процессе, называемом термоядерным синтезом.
Так же, как внутри ядерного реактора, атомы внутри ядра Солнца постоянно врезаются друг в друга. Чаще всего четыре протона водорода сливаются друг с другом, чтобы создать один атом гелия. Попутно в этом процессе крошечная часть массы в этих четырех микроскопических протонах «теряется», но поскольку Вселенная сохраняет материю, она не может просто так исчезнуть. Эта «потерянная» масса ежесекундно трансформируется в огромное количество энергии, которую и излучает Солнце. Мощность этого излучения составляет 3,9×10²⁶ Вт. Это настолько огромное количество энергии, оно больше, чем всё электричество на Земле, которое будет использоваться свыше нескольких сотен тысяч столетий.
Эффективность термоядерного синтеза является основной причиной того, что Солнце так долго излучает тепло. Энергия, выделяемая при превращении всего одного килограмма водорода в гелий, такая же, как при сжигании 20 000 тонн угля. Поскольку Солнце очень массивное и относительно молодое, ученые считают, что оно использовало только около половины своего производящего энергию водорода.
В конце концов, ядро Солнца преобразует весь внутренний водород в гелий, и наша звезда умрет. Но, это произойдет только через около пяти миллиардов лет.
Источник
Откуда мы знаем, что другие звёзды — это Солнца подобные нашему?
Когда мы смотрим на ночное небо мы видимо множество маленьких светящихся точек. Некоторые из них светят ярче и сильнее, другие — наоборот более тусклые и едва различимы. Учёные давно пришли к выводу, что звёзды — представляют собой газовые шары состоящие в основном из водорода и гелия. Но откуда мы это знаем? Не может ли быть иного объяснения у наблюдаемых с Земли звёзд? Такой вопрос задал один из подписчиков нашего телеграм канала. Давайте разбираться вместе.
Первым идею о том, что другие звёзды — это другие Солнца выдвинул в конце XVI века Джордано Бруно. Но, к сожалению, долгое время у астрономов не было нужной техники для того, чтобы проверить эту гипотезу. Впрочем уже со второй половины XVII века практически все астрономы придерживались взглядов сходных со взглядами Бруно и дело было только за их экспериментальным подтверждением.
Первое подтверждение было получено в первой половине XIX века независимо сразу несколькими астрономами. Российский астроном В.Я. Струве, немец Ф. Бессель и американец Т. Хендерсон измерили параллаксы различных звёзд (Веги — Струве, 61 Лебедя — Бессель, Альфы Центавра — Хендерсон) и определили расстояние до них. Принимая во внимание огромные расстояния до других звёзд, стало ясно, что они по яркости сравнимы с Солнцем и это стало первым экспериментальным подтверждением.
Каждый химический элемент обладает уникальным спектром при взаимодействии (поглощении и отражении) с излучением. Это открытие совершили немецкие учёные Г. Крихгоф и Р. Бунден. Стало ясно, что с помощью спектрального анализа других небесных тел и, в том числе, звёзд, можно получить представление об их химическом составе.
Было установлено, что звёзды состоят преимущественно из водорода и гелия — наиболее распространённых химических элементов во вселенной. Точно также было установлено, что Солнце тоже состоит почти полностью из этих же элементов.
Кроме того, в начале XX-го века процессы благодаря которым светит Солнца были объяснены английским астрофизиком Артуром Эддингтоном. Теперь мы знаем, что выделение Солнцем огромного количества энергии происходит благодаря термоядерным реакциям в ходе которых происходит синтез гелия из водорода.
Необходимыми условиями для начала реакций термоядерного синтеза являются огромные температура и давление. Эти условия являются труднодостижимыми и могут возникнуть например, благодаря сжатию вещества гравитацией очень массивных небесных тел, гораздо более массивных, чем например планеты.
Благодаря этим открытиям мы знаем, что звёзды находятся очень далеко, но их свечение сравнимо по интенсивности. со свечением нашего Солнца. Мы также видим, что звёзды очень похожи на наше Солнце по своему химическому составу и также мы знаем, какие условия необходимы для того, чтобы тело состоящее из водорода и гелия светилось с такой интенсивностью.
Это позволяет нам судить о том, что звёзды подобно Солнцу представляют собой огромные газовые шары, которые удерживаются в виде единого целого собственной гравитацией и которые излучают энергию благодаря идущим внутри них термоядерным реакциям.
Более того, все научные данные полученные во время наблюдения за звёздами подтверждают именно такое объяснение природы звёзд, например изучение движения звёзд в кратных (двойных, тройных и т.п.) системах, механизмы возникновения новых и сверхновых звёзд, наличие более тяжелых элементов в спектрах звёзд, измерение поверхностной температуры звёзд и т.п.
Таким образом мы знаем, что маленькие светящиеся точки на небе на самом деле являются звёздами подобными Солнцу потому, что по всем своим характеристикам и свойствам, открытым за много лет, они совпадают с нашим Солнцем.
Подписывайтесь на мой канал здесь, а также на мой канал на youtube . Каждую неделю там выходят видео, где я отвечаю на вопросы о космосе, физике, футурологии и многом другом!
Источник
Почему в космосе холодно, если Солнце горячее?
Порой я часто слышу интересные вопросы, например: почему в космосе холодно, если там так много горячих звёзд? Почему на ночной стороне Меркурия температура может достигать – 190 С, хотя он так близко расположен к Солнцу, ведь на дневной стороне этой планеты может быть + 430 С ?
Все тела Солнечной системы получают тепло и свет от единого источника – Солнца. Тепло от любой звезды распространяется в космос в виде излучения – инфракрасной волны энергии, которая перемещается от раскалённых объектов к холодным. Волны излучения пробуждают молекулы и заставляют их нагреваться – так и распространяется тепло от звезды к другим телам. Но есть один момент: излучение нагревает только те молекулы, которые находятся у него на пути. Именно поэтому на дневной стороне Меркурия очень жарко, до + 430 С, а на ночной – жуткий холод.
На Венере жарче, чем на Меркурии, несмотря на то, что она дальше от Солнца. Температура на второй планете Солнечной системы достигает + 460 С, причём, неважно, на полюсах ли вы будете её измерять или на экваторе, в тени или на светлой стороне: всё дело в атмосфере, состоящей на примерно на 98 % из углекислого газа, и в вызванном им мощном парниковом эффекте.
Тепло распространяется тремя способами: проводимость (например, когда вы положили холодные руки на тёплую батарею, тепло передаётся при непосредственном контакте), конвекция (когда вы греетесь, сидя у батареи, не касаясь её, – это явление переноса энергии самими струями жидкости или газа – в данном случае вы получаете тепло от движущихся горячих потоков воздуха) и излучение . Когда лучи звёзд нагревают молекулы в земной атмосфере, то те передают энергию другим молекулам, расположенным ниже. Так возникает цепная реакция, которая нагревает те области, что остались за пределами солнечного луча.
В космосе же негде возникать этой цепной реакции, так как вакуум – это слишком разреженное пространство, в котором атомы находятся очень далеко друг от друга, поэтому они не могут постоянно сталкиваться и обмениваться теплом. Получается, что проводимость не подходит.
Конвекция может работать лишь там, где может возникнуть сила тяжести, ведь потоки теплого воздуха более легкие и поднимаются вверх, а холодные – более плотные и тяжёлые — опускаются ниже. В невесомости конвекция попросту не может существовать, поэтому она тоже не подойдёт.
А что насчёт излучения? Получается, что оно остаётся единственной возможностью! Когда солнечное тепло в форме излучения падает на объект, атомы, составляющие этот объект, начинают поглощать энергию. Эта энергия заставляет атомы двигаться и производить тепло в процессе своего движения. Однако с этим явлением происходит нечто интересное. Поскольку нет возможности проводить тепло, температура объектов в пространстве будет оставаться неизменной в течение длительного времени. Горячие предметы остаются горячими, а холодные остаются холодными. Но когда солнечные лучи попадают в земную атмосферу, появляется много материи для возбуждения. Следовательно, мы чувствуем излучение солнца как тепло, и нам кажется, что тёплые солнечные лучи нас согревают, только вот на самом деле это не тёплые лучи, а прогретый воздух, попавший под излучение. В космосе исходит излучение от звёзд, но нет молекул и атомов, способных его поглотить. Даже когда скалистая поверхность объекта нагревается выше 100°C излучением Солнца, пространство вокруг нее не будет поглощать никакой температуры по той же причине. Когда нет материи, передача температуры не происходит.
Таким образом, температуру звезды можно почувствовать только в случае, если есть материя, способная её поглотить. Поскольку в открытом космосе пространство практически пустое (в вакууме атомы вещества находятся слишком далеко друг от друга, чтобы «дотянуться» до своих соседей и передать им энергию), в космосе царит холод.
На дневной стороне на Меркурии мы бы поджарились, так как там будет действовать теплообмен: представьте, если вас бросят на раскалённую сковородку – эффект будет примерно таким же. На Земле мы мёрзнем в холодной воде, или на улице зимой в мороз, потому что воздух и вода являются теплообменниками, которые всё время взаимодействуют с живыми телами, отбирая у них тепло. Тепловое излучение человека невелико, поэтому, окажись он в открытом космосе вдали от звёзд без скафандра, он не превратится моментально в сосульку – да, переохлаждение наступит, но далеко не сразу, так как нет внешнего источника тепла – звезды, горячей поверхности или атмосферы. А вот если подлететь в окрестности Меркурия и даже ближе, то солнечные лучи встретят на своём пути материю — в данном случае нас, и заставят атомы нашего тела двигаться — отсюда получится и перегрев.
Кстати, на Луне перепады температур экстремальные: на солнечной стороне температура поднимается до + 127 С, а на теневой может опускаться до – 170 С. Почему же на Земле нет такого эффекта? Благодаря нашей атмосфере инфракрасные волны от Солнца отражаются, и те, которые входят в атмосферу Земли, равномерно распределены. Вот почему мы чувствуем постепенное изменение температуры, а не крайнюю жару или холод.
Источник
Звезда, гори: за счет чего светят звезды
Звезда – огромный ком раскаленного газа, способный гореть миллионы-миллиарды лет. Что же так долго может поддерживать ее светимость, выделение энергии? Изучим вопрос.
1. Зоопарк звезд
Яркие точки на небосводе – сплошь звезды. Они могут объединяться в скопления, галактики. Но все-равно 90 % видимого вещества – это звезды. Есть еще газ, пыль, планеты – но их значительно меньше.
Изучать их стали еще в древности, но более-менее осмысленно понимать их сущность – в начале 20 века. Звезды можно классифицировать по температурам (от голубых раскаленных до красных и бурых «охлажденных»), светимости, размеру, плотности.
На 99% все они состоят из водорода и гелия, которые горят, испуская тепло и свет. Но так считали не всегда. Буквально 100-150 лет назад они представлялись иначе.
2. Химия
Исследователей интересовал вопрос: что и как долго способно поддерживать светило на плаву. Ученым 19 века было ясно, что Солнце горит. И они нашли своё пояснение процессу.
Так как химические реакции были уже хорошо изучены, то стали предполагать, что может хорошо и беспроблемно гореть. Выдвинули идею, что горит углерод (в виде угля или нефти) за счет взаимодействия с кислородом. Выделяемый при этом углекислый газ служит источником тепла и света. Буквально, как костер, который вы можете разжечь у себя в огороде. Следовательно, Солнце, как и другие звезды, состоят из С и О.
Стали подсчитывать. Масса светила была известна, оставалось найти время. Оценки были очень радостными, так как совпали с Библейскими описаниями. Оказывалось, Солнцу где-то 3-6 тыс. лет. Религиозные писания как раз об этом и говорили: наш мир был создан несколько тысяч лет назад.
Но счастье было не долгим.
3. Геология
Уже в середине того же 19 века геологи, сначала скромно, а потом всё громче, начали противиться такому малому возрасту родительской звезды. По их оценкам, осадочные породы в земле и водоемах не могут столь быстро образоваться. Для этого потребуется несколько миллионов лет.
Ученые стали в ступор. Но не отчаялись. Вспомнили о гравитации. Раз тела падают на землю, а удар этот вызывает нагревание, в результате которого выделяется тепло, следовательно, на Солнце все происходит аналогичным образом.
Начали искать, что же падает на наше светило. Уже в то время было известно о наличии больших пылевых облаков, которые имеются везде в Космосе. Может быть, эти частички и греют звезду? Оказалось, что их маловато.
Источник