Источник энергии Солнца (окончание)
Расчёты показывают, что вследствие превращения водорода в гелий масса Солнца ежесекундно уменьшается более чем на 4 миллиона тонн!
Естественно, возникает вопрос: надолго ли хватит массы Солнца при таком интенсивном «похудении»? Не ожидает ли нас скорый «конец света»?
К счастью, нет: водорода в Солнце столько, что оно может (и будет!) светить с нынешней яркостью еще 5—6 миллиардов лет, то есть примерно столько же, сколько оно уже светит 3 . Можно сказать, что наше Солнце находится как раз «в расцвете лет»!
3 Некоторые люди (особенно молодые, у которых ещё вся жизнь впереди) испытывают потрясение, узнав, что Солнце не вечно. Не переживайте: человеческая жизнь и даже вся история человечества — всего лишь мгновение по сравнению с несколькими миллиардами лет, в течение которых Солнце ещё будет светить, и светить по-прежнему!
Интересно, что если бы масса Солнца была больше, жизнь его была бы короче, — оказывается, чем больше масса звезды, тем быстрее эта звезда «сгорает». И жизнь массивной звезды может оказаться слишком краткой для длительного процесса зарождения жизни на какой-либо движущейся вокруг этой звезды планете.
А если бы масса Солнца была меньше? Тогда оно светило бы дольше, но — менее ярко. И на Земле могло бы просто не хватить тепла и света для возникновения жизни.
Так что нам очень повезло с нашим Солнцем: его масса как раз такова, как «надо»! А если бы не повезло? Мы бы об этом никогда не узнали: нас просто не было бы.
Почему Солнце не разлетается?
Глядя с Земли на ласковое Солнце, трудно представить, что в его недрах постоянно происходит термоядерный «взрыв» чудовищной силы, — взрыв, который длится уже миллиарды лет и будет продолжаться ещё столько же. Почему же вследствие этого гигантского взрыва Солнце не разлетается мгновенно в огнедышащие клочья?
От такого разлёта Солнце удерживает сила тяготения. Она создаёт то огромное давление в недрах Солнца, при котором возможны термоядерные реакции (расчёты показывают, что для протекания таких реакций одной высокой температуры недостаточно — нужно ещё и очень большое давление).
Таким образом, состояние «стабильного взрыва», в котором миллиарды лет пребывает Солнце и подавляющее большинство звёзд, обеспечивается балансом между термоядерными реакциями в центре звезды и тяготением: термоядерные реакции стремятся разорвать звезду, а тяготение — ещё больше сжать. И «спокойная жизнь» звезды продолжается до тех пор, пока такой баланс возможен. О том, что происходит, когда этот баланс нарушается, мы расскажем далее.
Источник
Почему светит Солнце?
В древности люди не знали, почему светит Солнце. Но уже тогда они заметили, что оно появляется рано утром и исчезает вечером, а на смену ему приходят яркие звезды. Его считали дневным божеством, символом света, добра и власти.
Солнце — одна из звёзд нашей Галактики (Млечный Путь) и единственная звезда Солнечной системы. Вокруг Солнца обращаются планеты, кометы, астероиды, метеороиды и другие космические тела.
Сейчас наука шагнула далеко вперед и Солнце уже не столь загадочно для нас. Это не какой-нибудь особенный и неповторимый объект, а звезда. Такая же, как тысячи других, которые мы видим в ночном небе. Но другие звезды очень далеки от нас, поэтому с Земли они кажутся крохотными огоньками. Солнце к нам гораздо ближе, и его сияние видно намного лучше.
Кратка характеристика Солнца
Как и все остальные звезды, Солнце представляет собой огромный горячий шар. Предполагается, что оно образовалось из остатков других звезд около 4,5 миллиардов лет назад. Газ и пыль, освободившиеся из них, стали сжиматься в облако, температура и давление в котором постоянно повышались.
«Разогревшись» примерно до десяти миллионов градусов, облако превратилось в звезду, ставшую гигантским генератором энергии.
- По спектральной классификации Солнце относится к типу G2V (жёлтый карлик).
- Средняя плотность Солнца составляет 1,4 г/см³ (в 1,4 раза больше, чем у воды).
- Эффективная температура поверхности Солнца — 5780 кельвин .
Солнце светит почти белым светом, но прямой свет Солнца у поверхности нашей планеты приобретает некоторый жёлтый оттенок из-за действия атмосферы Земли (при ясном небе, вместе с голубым рассеянным светом от неба, солнечный свет вновь даёт белое освещение).
Зeмля oтдaлeнa oт Coлнцa нa 150 млн. км. Cкopocть cвeтa – З00000 км/c, пoэтoму лучу тpeбуeтcя 8 минут и 20 ceкунд. Ho вaжнo тaкжe пoнимaть, чтo ушли миллиoны лeт, пpeждe чeм фoтoны cвeтa пepeшли c coлнeчнoгo ядpa нa пoвepxнocть.
Структура и состав Солнца
Наше Солнце в основном состоит из двух элементов: водорода (74,9%) и гелия (23,8%). Помимо них там присутствует в маленьких количествах: кислород (1%), углерод (0.3%), неон (0.2%) и железо (0.2%). Внутри Солнце делится на слои:
- ядро,
- радиационная и конвекционная зоны,
- фотосфера,
- атмосфера.
Строение Солнца схематично.Ядро Солнца обладает наибольшей плотностью и занимает примерно 25% от общего солнечного объема.
Именно в солнечном ядре посредством ядерного синтеза, трансформирующего водород в гелий, формируется тепловая энергия. По сути, ядро – это такой себе солнечный мотор, благодаря ему, наше светило выделяет тепло и обогревает всех нас.
Что заставляет Солнце излучать свет?
Древние мыслители думали, что поверхность солнца постоянно горит, и поэтому излучает свет и тепло. Однако это не так. Во-первых, причина излучения тепла и света находится намного глубже поверхности звезды, а именно в ядре . Ну и во-вторых, процессы происходящие в недрах звезд вовсе не похожи на горение.
Солнце содержит огромное количество атомов водорода.
Суть термоядерной реакции
Как правило, нейтральный атом водорода содержит положительно заряженный протон и отрицательно заряженный электрон, который вращается вокруг него. Когда этот атом встречается с другим атомом водорода, их соответствующие внешние электроны магнитно отталкивают друг друга, что предотвращает встречу одного из протонов друг с другом.
Но ядро Солнца сильно разогрето и находится под таким давлением, что атомы перемещаются с большой кинетической энергией, которая позволяет им преодолевать силу, связывающую их структуру, и электроны начинают отделяться от своих протонов.
Это означает, что протоны, обычно находящиеся внутри ядра атома водорода, могут касаться друг друга и объединяются в ядра других элементов.
То есть с научной точки зрения, — это реакция, при которой более легкие атомные ядра — обычно изотопы водорода (дейтерий и тритий) сливаются в более тяжелые ядра — гелия .
Данный процесс, происходящий в недрах звезд, называется термоядерный синтез.
Это процесс перехода материи в энергию, причем из минимального количества материи высвобождается невероятное количество энергии — каждую секунду Солнце излучает 3,9 × 10 в степени 26 Вт мощности.
Чтобы произошла термоядерная реакция необходима невероятно высокая температура — несколько миллионов градусов.
Как можно было догадаться солнце не вечно , оно со временем «спалит само себя». Ученые считают, что в нем еще хватит материи приблизительно на 4-6 миллиардов лет, т.е. где-то на столько же, сколько оно уже просуществовало.
Почему Солнце не взрывается?
Звезда живет за счет притяжения — вот почему они большие, огромные. Чтобы сжать звезду, нужна огромная сила притяжения, для того чтобы выделить невероятное количество энергии, достаточного для термоядерного синтеза. Вот в чем секрет звезд, вот почему они светятся.
Синтез в ядре звезды Солнца, каждую секунду генерирует мощность, которой хватило бы на миллиард ядерных бомб. Звезда — это гигантская водородная “бомба”.
Почему тогда ей просто не разлететься на куски?
Дело в том, что силы тяжести сжимают внешние слои звезды. Сила тяжести и синтез ведут грандиозную войну, притяжение которых хочет смять звезду и энергия синтеза, которая стремится разнести звезду изнутри, этот конфликт и это равновесие создают звезду.
Этот процесс происходит всю жизнь звезды. В результате создается свет и каждый луч совершает невероятное путешествие, проходя 1080 миллионов километров в час. За одну секунду, луч света может семь раз обогнуть землю, ни что во вселенной не движется так быстро.
История изучения светимости Солнца
Одним из первых, кто попытался подойти к объяснению природы Солнца с научной точки зрения был древнегреческий астроном и математик Анаксагор, согласно словам которого Солнце – раскаленный металлический шар. За это философ был заключен в тюрьме.
Прежде, чем в 17-м веке началось инструментальное изучение Солнца, было еще немало предположений о природе солнечного света, вплоть до находящихся на поверхности постоянно горящих лесов.
С 17-го века ученым открывается такое явление как солнечные пятна, появляется возможность вычислить период вращения Солнца. Становится ясно, что наша звезда является неким физическим телом со сложной структурой.
В 19-м веке возникает спектроскопия, при помощи которой удается разложить солнечный луч на составные цвета. Таким образом, благодаря линиям поглощения, Фраунгоферу удается обнаружить новый химический элемент, входящий в состав звезды, — гелий.
В середине 19 века ученые уже пытались описать свечение Солнца более сложными научными гипотезами.
В 1848 году Роберт Майер выдвинул метеоритную гипотезу, согласно которой Солнце нагревается благодаря бомбардировке метеоритами.
Несколько позже, в 1853-м году, возникла более правдоподобная идея так называемого «механизма Кельвина — Гельмгольца», согласно которой Солнце нагревалось по причине гравитационного сжатия. Однако, в таком случае возраст светила был бы значительно меньше, нежели на самом деле, что противоречило некоторым геологическим исследованиям.
Уравнение Энштейна
Вооружившись знаменитым уравнением Эншнейна, которое предсказывало, что любая масса должно иметь эквивалентное количество энергии, британские астрономы 1920-х годов предположили, что Солнце фактически превращало свою массу в энергию. Однако вместо печи, которая превращает древесину и уголь в золу и почерневший углерод (излучая свет и тепло), центр Солнца больше похож на гигантскую атомную электростанцию.
Только в XX веке было найдено правильное решение этой проблемы, благодаря которой стала понятна природа светимости Солнца.
Сколько будет гореть Солнце?
Эффективность реакции термоядерного синтеза является основной причиной того, что Солнце постоянно излучает тепло, — энергия, выделяемая путем превращения всего одного килограмма водорода в гелий эквивалентна той, которая выделяется при сжигании 20 000 тонн угля. Поскольку Солнце достаточно массивно и относительно молодо, считают, что оно использовало только около половины своего топлива — водорода.
Koгдa Coлнцe изpacxoдуeт вecь вoдopoдный зaпac (1З0 млн. лeт), тo пepeйдeт к гeлию. После этого его светимость будет и дальше увеличиваться, пока Солнце не станет на 121 % ярче и горячее, чем сейчас. и оно перейдет в фазу красного гиганта.
Ученые считают, что через 4–5 млрд лет Солнце расширится и поглотит или очень сильно разогреет Землю.
Пocлe кpacнoгo гигaнтa oнo pуxнeт и ocтaвит cжaтую мaccу в шapикe зeмнoгo paзмepa. Этo cтaдия бeлoгo кapликa. В конце концов, ядро Солнца преобразует весь свой водород в гелий, и звезда умрет. Этого не произойдет еще примерно 5 миллиардов лет. Солнце не может исчезнуть просто так или погаснуть в один миг. Светимость нашей звезды увеличивается на 1 % каждые 110 млн лет за счет сжигания водорода.
Видео
Источник
Источник энергии звезд
Знакомиться со звездами мы начнем с самой близкой к нам звезды — Солнца.
Температура поверхности Солнца около 6000 градусов. При такой температуре все известные нам вещества превращаются в пар. А в центре Солнца температура достигает 16 миллионов градусов!
Несколько веков ученые пытались понять: за счет какой энергии Солнце расточает тепло так щедро и так долго?
Сначала предполагали, что Солнце «горит» в буквальном смысле слова, то есть источником его энергии являются химические реакции горения. Но расчеты показали, что при таком расходе энергии Солнце «сгорело» бы за несколько тысяч лет. А геологические исследования указывают на то, что Земля существует миллиарды лет. Не может же Солнце быть моложе Земли! Значит, источник солнечной энергии — не горение.
В середине 19-го века немецкий ученый Г. Гельмгольц предположил, что Солнце излучает энергию благодаря тому, что внешние слои Солнца продолжают «падать» к его центру (напомним, что именно таков источник энергии Юпитера). Расчеты показали, что, продолжая сжиматься вследствие тяготения, Солнце может быть таким же жарким и ярким, как сегодня, миллионы лет. Но геология упрямо настаивала на миллиардах лет!
Хотя идея Гельмгольца не объяснила происхождения энергии Солнца, она объяснила, почему оно зажглось! Огромное облако межзвездного газа, сжимаясь под действием гравитации, разогревается так, что температура в его центральной области повышается до миллионов градусов. И тогда там «вспыхивают» термоядерные реакции. Так рождается звезда.
Когда были открыты ядерные реакции, физики установили, что
источником энергии Солнца и других звезд являются реакции термоядерного синтеза.