Как рождается энергия Солнца?
Есть одна причина, по которой Земля является единственным местом в Солнечной системе, где существует и процветает жизнь. Конечно, ученые подозревают, что под ледяной поверхностью Европы или Энцелада может тоже существовать микробная или даже водная форма жизни, также ее могут найти и в метановых озерах Титана. Но до поры до времени Земля остается единственным местом, которое обладает всеми необходимыми условиями для существования жизни.
Одна из причин этому заключается в том, что Земля расположена в потенциально обитаемой зоне вокруг Солнца (так называемой «зоне Златовласки»). Это означает, что она находится в нужном месте (не слишком далеко и не слишком близко), чтобы получать обильную энергию Солнца, в которую входит свет и тепло, необходимые для протекания химических реакций. Но как именно Солнце обеспечивает нас энергией? Какие этапы проходит энергия на пути к нам, на планету Земля?
Ответ начинается с того, что Солнце, как и все звезды, может вырабатывать энергию, поскольку является, по сути, массивным термоядерным реактором. Ученые считают, что оно началось с огромного облака газа и частиц (т. е. туманности), которое коллапсировало под силой собственной тяжести — это так называемая теория туманности. В этом процессе родился не только большой шар света в центре нашей Солнечной системы, но и водород, собранный в этом центре, начал синтезироваться с образованием солнечной энергии.
Технически известный как ядерный синтез, этот процесс высвобождает огромное количество энергии в виде тепла и света. Но на пути из центра Солнца к планете Земля эта энергия проходит через ряд важных этапов. В конце концов, все сводится к слоям Солнца, и роль каждого из них играет важную роль в процессе обеспечения нашей планеты важнейшей для жизни энергией.
Ядро Солнца — это область, которая простирается от центра до 20-25% радиуса светила. Именно здесь, в ядре, производится энергия, порождаемая преобразованием атомов водорода (H) в молекулы гелия (He). Это возможно благодаря огромному давлению и высокой температуре, присущим ядру, которые, по оценкам, эквивалентны 250 миллиардам атмосфер (25,33 триллиона кПа) и 15,7 миллионам градусов по Цельсию, соответственно.
Конечным результатом является слияние четырех протонов (молекул водорода) в одну альфа-частицу — два протона и два нейтрона, связанных между собой в частицу, идентичной ядру гелия. В этом процессе высвобождается два позитрона, а также два нейтрино (что меняет два протона на нейтроны) и энергия.
Ядро — единственная часть Солнца, которая производит значительное количество тепла в процессе синтеза. По сути, 99% энергии, произведенной Солнцем, содержится в пределах 24% радиуса Солнца. К 30% радиуса синтез почти целиком прекращается. Остаток Солнца подогревается энергией, которая передается из ядра через последовательные слои, в конечном счете достигая солнечной фотосферы и утекая в космос в виде солнечного света или кинетической энергии частиц.
Солнце высвобождает энергию, преобразуя массу в энергию со скоростью 4,26 миллиона метрических тонн в секунду, что эквивалентно 38,460 септиллионам ватт в секунду. Чтобы вам было понятнее, это эквивалентно взрывам 1 820 000 000 «царь-бомб» — самой мощной термоядерной бомбы в истории человечества.
Зона лучистого переноса
Эта зона находится сразу после ядра и простирается на 0,7 солнечного радиуса. В этом слое нет тепловой конвекции, но солнечная материя очень горячая и достаточно плотная, чтобы тепловое излучение запросто передавало интенсивное тепло из ядра наружу. В основном она включает ионы водорода и гелия, испускающие фотоны, которые проходят короткое расстояние и поглощаются другими ионами.
Конвективная зона
Это внешний слой Солнца, на долю которого приходится все, что выходит за рамки 70% внутреннего радиуса Солнца (и уходит примерно на 200 000 километров ниже поверхности). Здесь температура ниже, чем в радиационной зоне, и тяжелые атомы не полностью ионизированы. В результате радиационный перенос тепла проходит менее эффективно, и плотность плазмы достаточно низка, чтобы позволить появляться конвективным потокам.
Из-за этого поднимающиеся тепловые ячейки переносят большую часть тепла наружу к фотосфере Солнца. После тог, как эти ячейки поднимаются чуть ниже фотосферической поверхности, их материал охлаждается, а плотность увеличивается. Это приводит к тому, что они опускаются к основанию конвективной зоны снова — где забирают еще тепло и продолжают конвективный цикл.
На поверхности Солнца температура падает до примерно 5700 градусов по Цельсию. Турбулентная конвекция этого слоя Солнца также вызывает эффект, который вырабатывает магнитные северный и южный полюса по всей поверхности Солнца.
Именно в этом слое также появляются солнечные пятна, которые кажутся темными по сравнению с окружающей область. Эти пятна соответствуют концентрациям потоков магнитного поля, которые осуществляют конвекцию и приводят к падению температуры на поверхности по сравнению с окружающим материалом.
Фотосфера
Наконец, есть фотосфера, видимая поверхность Солнца. Именно здесь солнечный свет и тепло, излученные и поднятые на поверхность, распространяются в космос. Температуры в этом слое варьируются между 4500 и 6000 градусами. Поскольку верхняя часть фотосферы холоднее нижней, Солнце кажется ярче в центре и темнее по бокам: это явление известно как затемнение лимба.
Энергия, испускаемая фотосферой, распространяется в космосе и достигает атмосферы Земли и других планет Солнечной системы. Здесь, на Земле, верхний слой атмосферы (озоновый слой) фильтрует большую часть ультрафиолетового излучения Солнца, но пропускает часть на поверхность. Затем эта энергия поглощается воздухом и земной корой, согревает нашу планету и обеспечивает организмы источником энергии.
Солнце находится в центре биологических и химических процессов на Земле. Без него жизненный цикл растений и животных закончился бы, циркадные ритмы всех земных существ были бы сорваны, и жизнь на Земле перестала бы существовать. Важность Солнца была признана еще в доисторические времена, и многие культуры рассматривали его как божество (и зачастую помещали его в качестве главного божества в свои пантеоны).
Однако только в последние несколько столетий мы начали понимать процессы, которые питают Солнце. Благодаря постоянным исследованиям физиков, астрономов и биологов, мы теперь можем понять, как Солнце производит энергию и как она проходит через нашу Солнечную систему. Изучение известной Вселенной с ее разнообразием звездных систем и экзопланет также помогает нам провести аналогию с другими типами звезд.
Источник
Как образуется солнечная энергия
Солнечная система > Солнце > Как образуется солнечная энергия
Как производится солнечная энергия? Солнечная энергия появляется в результате превращения водорода в гелий путем реакции ядерного синтеза в центральной части нашей звезды. Это означает, что имеющиеся в ядре в огромном количестве атомы водорода максимально сближаются и затем сливаются в атомы гелия. Полученная энергия Солнца затем излучается из ядра и передается в межзвездное пространство Солнечной системы. Конечно, это не исчерпывающий ответ на вопрос, поэтому ниже более подробно описано, как именно энергия передается от ядра Солнца к Земле и другим объектам в Солнечной системе.
Процесс ядерного синтеза в ядре Солнца
Ядро Солнца простирается от центра звезды до четверти ее радиуса. Оно имеет плотность около 150 г/см3, а температура его вещества близка к 13 600 000 К. Энергия, производимая в результате ядерного синтеза, получается в ходе серии протон-протонных циклов превращения водорода в гелий. Ядро является единственной частью Солнца, которая производит значительное количество энергии посредством синтеза (почти 99%).
Остальная часть звезды нагревается солнечной энергией, которая передается из центра. Прежде чем уйти в космическое пространство в виде кинетической энергии (в данном случае, в виде солнечных лучей), энергия проходит через множество слоев к солнечной фотосфере. Протон-протонные циклы происходят около 9,2 × 10 37 раз в секунду. Реакция превращения водорода в гелий высвобождает около 0,7% синтезированной массы в виде энергии, и это составляет около 4,26 млн тонн в секунду.
Следующая зона – зона излучения Солнца. Здесь плазма достаточно плотная и горячая, чтобы тепловое излучение могло передаваться от слоя к слою, и тепловая конвекция отсутствует. Температура вещества падает по мере удаления от центра. Градиент температуры меньше адиабатического градиента, поэтому конвекция здесь физически невозможна. Тепло передается фотонами, испускаемыми ионами гелия и водорода, которые проходят небольшое расстояние и опять поглощаются.
Далее идет солнечная зона конвекции. Здесь солнечная плазма недостаточно плотная и горячая для передачи внутреннего тепла путем излучения. Конвекция происходит путем переноса слоев, несущих горячее вещество, наружу – в фотосферу. Как только плазма остывает в фотосфере, она обратно погружается во внутреннюю часть зоны конвекции и нагревается от наружной части зоны излучения. На поверхности Солнца температура плазмы снижается до 5 700 К. Турбулентная конвекция этого слоя вызывает эффект, который приводит к появлению магнитных полюсов по всей поверхности звезды
Наконец, в фотосфере появляется солнечный свет, который может свободно распространяются (перемещаться) по межзвездному пространству. Эта энергия излучается на поверхность или в атмосферу тел Солнечной системы. Атмосфера Земли фильтрует часть ультрафиолетовых лучей, но определенное количество этой энергии все же достигает земной поверхности, затем отражается от нее обратно в атмосферу. После такого рикошета Земля поглощает часть энергии, и наша планета нагревается. Технологический прогресс позволил создать солнечные батареи, позволяющие использовать естественную солнечную энергию в бытовых целях.
Источник
Солнце в астрономии
Солнце
центр системы
в 333 тыс. раз
в 109 раз
5500°С
Солнце — единственная звезда Солнечной системы. Вокруг Солнца вращаются другие объекты этой системы: планеты и их спутники, карликовые планеты и их спутники, астероиды, метеороиды, кометы и космическая пыль. Солнце, это огромная масса раскаленного газа, который под действием термоядерной реакции горит в течение миллиардов лет. Солнце излучает огромное количество тепла и света, благодаря чему возможно существование жизни на Земле. Наше Солнце относится к типу желтых карликов по спектральному классу, а температура на поверхности составляет 6000 по Кельвину.
Солнце — магнитоактивная звезда. Она обладает сильным магнитным полем, напряжённость которого меняется со временем и которое меняет направление приблизительно каждые 11 лет, во время солнечного максимума. Вариации магнитного поля Солнца вызывают разнообразные эффекты, совокупность которых называется солнечной активностью и включает в себя такие явления, как солнечные пятна, солнечные вспышки, вариации солнечного ветра, а на Земле вызывает полярные сияния в высоких и средних широтах и геомагнитные бури.
Ядро Солнца
Центральная часть Солнца с радиусом примерно 150—175 тыс. км (20—25% от радиуса Солнца), в которой идут термоядерные реакции, называется солнечным ядром. Плотность вещества в ядре составляет примерно 150 000 кг/м³ (в 150 раз выше плотности воды), а температура в центре ядра — более 14 млн К. В ядре скорость вращения Солнца вокруг своей оси значительно выше, чем на поверхности. Ядро — единственное место на Солнце, в котором энергия и тепло получается от термоядерной реакции, остальная часть звезды нагрета этой энергией. Вся энергия ядра последовательно проходит сквозь слои, вплоть до фотосферы, с которой излучается в виде солнечного света и кинетической энергии.
Фотосфера
Фотосфера — излучающий слой звёздной атмосферы, в котором формируется непрерывный спектр излучения. Фотосфера даёт основную часть излучения звезды. Фотосфера поглощает и затем переизлучает энергию, поступающую из недр звезды. В абсолютных величинах фотосфера достигает толщины, по разным оценкам, от 100 до 400 км. Из фотосферы исходит основная часть оптического (видимого) излучения Солнца, излучение же из более глубоких слоёв до нас уже не доходит.
Хромосфера
Хромосфера — внешняя оболочка Солнца толщиной около 2000 км, окружающая фотосферу. Происхождение названия этой части солнечной атмосферы связано с её красноватым цветом, вызванным тем, что в её видимом спектре доминирует красная H-альфа линия излучения водорода. Температура хромосферы увеличивается с высотой от 4000 до 15 000 градусов. Плотность хромосферы Солнца невелика, поэтому яркость её недостаточна, чтобы наблюдать её в обычных условиях. Но при полном солнечном затмении, когда Луна закрывает яркую фотосферу, расположенная над ней хромосфера становится видимой.
Солнечная корона
Солнечная корона — внешние слои атмосферы Солнца, начинающиеся выше тонкого переходного слоя над хромосферой, в котором температура возрастает в 100 раз. Температура короны — порядка миллиона кельвинов. Причём от хромосферы она повышается до двух миллионов на расстоянии порядка 70 000 км от видимой поверхности Солнца, а затем начинает убывать, достигая у Земли ста тысяч кельвинов. Солнечная корона является источником сильного радиоизлучения.
Источник
Термоядерная мощь. Сила солнца в наших руках?
Солнце настолько мощное, что за 1 секунду могло бы обеспечить весь мир энергией на миллион лет вперёд . Внутри Солнца спрятан источник энергии с огромной мощностью и такой же источник находится в каждой из 100 млрд. звезд нашей галактики.
Наша вселенная бурлит от чистой мощной безграничной энергии.
Но можно ли получать такую энергию на Земле?
Исходя из знаний физики, вполне можно производить энергию точно так же, как ее производят звезды — с помощью термоядерного синтеза. И здесь важно обратить внимание на встречающиеся в разговорном языке закрепившиеся выражения — термоядерный чеснок и т.п. т т.д. :). От чего же слово термоядерный демонстрируется таким мощным?
Термоядерный синтез простым языком
Термоядерный синтез — это процесс, который позволяет Солнцу гореть вот уже 5 млрд. лет. Это мощный природный источник чистой энергии.
Когда мы рассматривали явление радиоактивности и изучали понятие радиации , мы узнали, что можно получать энергию от распада вещества. Вещество распадается на частички и энергия высвобождается. При этом появляется много вредного излучения.
Термоядерный синтез же не создает эффекта глобального потепления и не производит никаких вредных выбросов. Это процесс, по сути дела, обратный процессу радиоактивного распада. Да, сейчас найдутся те, кто будут критиковать эту формулировку и будут правы. Но пока нам надо понять логику процесса и такое упрощение допустимо.
Поэтому, упростим и скажем, что термоядерный синтез — это процесс, в котором ядра легких атомов сливаются друг с другом образуя тяжелые атомы (ну или более тяжелые) . Именно в момент слияния происходит выделение огромного количества энергии.
Ну и понятно наверное, что для того, чтобы слить ядра таким образом нужно некоторое отклонение от баланса. В данном случае — нужна сверх-высокая температура, соизмеримая с температурой солнца. Именно потому есть слово ТЕРМО.
Сила солнца в моих руках
Если кто-то смотрел великолепный фильм Человек Паук (кстати, здесь мы рассматривали , смог бы человек-паук лазить по стенам или нет), то возможно помнит эпизод, где доктор-осьминог держал в механических руках ядро, внешне напоминающее солнце и приговаривал «сила солнца в моих руках». От этого крыша ученого и поехала :). Но не о том речь. Нас интересует, возможна ли термоядерная реакция на Земле и можно ли её создать?
В центре Оксфордшира вот уже 30 лет зажигают маленькие звезды.
Joint European Torus (JET) — самый большой в мире термоядерный реактор. Каждый день здесь происходят термоядерные реакции.
Самым трудным было создать необходимые условия. Чтобы запустить ядерную реакцию, требовалась температура в 10 раз выше, чем в центре Солнца. Исследования в Оксофордшире идут уже несколько десятков лет.
Однако, все, что пока получается — это короткие энергетические вспышки .
Электричество здесь не вырабатывается, пока мы не умеем получать из термоядерного синтеза реальную энергию . В природе такой процесс идет только в одном месте — в центре звезд, огромных небесных генераторов, таких, как наше Солнце.
Ученые поняли из чего состоят Солнце и звезды. Но это их лишь запутало.
Водород и гелий — самые легкие элементы во Вселенной.
Получается так, что Солнце состоит из самых легких элементов . Как же при этом получается невероятное количество энергии?
Отметим, что абсолютно любой предмет вокруг нас — это чистый сгусток энергии. В одной денежной банкноте содержится столько же энергии в чистом виде, сколько в водородной бомбе. То есть в каждой денежной бумажке находится по водородной бомбе.
Когда Эйнштейн вывел свое знаменитое уравнение, поначалу никто и не подозревал, что это ключ к изучению Солнца. Это стало ясно лишь через 15 лет, когда британский физик Артур Эддингтон сделал открытие.
Эддингтон обратил внимание на очень известный факт — если соединить 4 ядра водорода, то получается гелий. Гелий очень легкий, он легче, чем 4 ядра водорода по отдельности.
Куда же девается эта разница?
Эддингтон предположил, что внутри Солнца ядра водорода соединяются в гелий. А оставшаяся масса излучается в виде энергии. Вот эта энергия и есть солнечный свет. И теперь нам известно, что каждую секунду Солнце теряет около 4 млн. тонн массы в виде энергии.
Эддингтон был прав, однако, в свое время над ним посмеялись. А ведь на самом деле это он открыл процесс, который сейчас называется термоядерный синтез. Эддингтон утверждал, что именно термоядерный синтез подкармливает Солнце. Но коллеги ему возразили, что в центре солнца для процессов синтеза не достаточно горячо.
В то время физикам просто-напросто не хватало знаний, чтобы понять, что синтез возможен.
Однако, Эддингтон был настолько уверен, что сказал: «Если вы считаете, что в центре звезды не достаточно жарко для синтеза, поищите место погорячее». Он попросту вежливо, по-британски послал их в ад.
Конечно, место погорячее никто не нашел, теорию Эддингтона в конце концов приняли, развили и уточнили.
Но она не объясняла один ключевой вопрос — каким образом Солнце зажглось?
13 млрд. лет назад звезды еще не существовали. Невероятно, но астрономы смогли собрать свет той эпохи. Они засекли свет, который Вселенная излучала сразу после рождения. Ученые запустили специальный зонд, который сделал фотографию Вселенной в детстве.
Сначала Вселенная представляла собой гигантское облако газа. Но внутри облаков были уплотнения, поэтому облака начали разваливаться. Так появились галактики, а уже в них — звезды. Зажглись первые поколения звезд. Внутри них пошел процесс термоядерного синтеза — эпоха темной Вселенной закончилась. Тут полезно вспомнить, что такое темная материя .
Многие из первых звезд были гигантами, в сотни раз тяжелее Солнца. Они очень быстро израсходовали весь свой водород, взорвались и погибли. Эти звезды были первыми химическими заводами Вселенной.
Всего только из гелия и водорода они создали все химические элементы, которые известны человечеству сегодня.
Звезды — это термоядерные реакторы, они создали элементы, из которых созданы мы.
Сегодня перед учеными стоит главная проблема: как преодолеть силу сопротивления ядер, как создать необычайно высокую температуру и давление, но в меньших масштабах ?
Для этого нужно устроить контролируемый взрыв на базе термоядерного горючего. Ключевое слово «контролируемый» . Вот с этим пока главная проблема.
Ну и тут важно отметить, что вместе с совершенствованием технологий неплохо было бы и повысить ответственность человечества. Ни в коем случае нельзя допускать, чтобы подобные работы попали ни в те руки и были использованы для чего-то, кроме как для получения чистой недорогой энергии .
Источник