Внутренняя энергия солнца источники энергии

Внутренняя энергия солнца источники энергии

Ежесекундно Солнце теряет около 4,3 млн. тонн массы на излучение. В год это составляет 1,4·10 14 тонн. Но Солнце очень велико: 1 % своей массы оно потеряло бы на излучение за 150 млрд. лет. И на протяжении миллиардов лет Солнце излучает огромную энергию.

Согласно современным представлениям, на Солнце происходят термоядерные реакции, сопровождающиеся огромным выделением энергии. В ходе этих реакций при очень высоких температурах одни химические элементы превращаются в другие.

В недрах Солнца в виде отдельных протонов находится сильно ионизованный водород. Скорость протонов в условиях высоких температур настолько велика, что они сближаются, преодолевая электрические силы отталкивания. На очень близких расстояниях вступают в действие мощные ядерные реакции, в ходе которых происходит синтез новых химических элементов. Фактически внутри Солнца водород превращается в гелий. Это превращение описывается протон-протонным циклом – очень медленной реакцией (характерное время 7,9∙10 9 лет). Ее суть состоит в том, что из четырех протонов получается ядро гелия. При этом выделяются пара позитронов и пара нейтрино, а также 26,7 МэВ энергии. Рассмотрим цепочку протон-протонного цикла. На первом этапе слияние двух протонов сопровождается образованием дейтерия (ядра тяжелого водорода) и испусканием позитрона и нейтрино:

далее дейтерий сам вступает во взаимодействие с протоном, получается ядро легкого изотопа гелия и выделяется гамма-квант:

после чего слияние двух ядер легкого гелия приводит к образованию ядра гелия и двух протонов:

В ходе такой реакции выделяется огромное количество энергии. Воспользовавшись законом взаимосвязи массы и энергии E = mc 2 , можно посчитать, что при сгорании 1 г водорода выделяется приблизительно 6,3·10 11 Дж энергии.

Каждую секунду Солнце перерабатывает около 600 миллионов тонн водорода. Запасов ядерного топлива хватит еще на пять миллиардов лет, после чего оно постепенно превратится в белый карлик.

Одним из продуктов протон-протонного цикла является нейтрино. Эти частицы почти без взаимодействия способны проникать сквозь толщу всей звезды, унося часть энергии непосредственно из ее центральных областей. Нейтрино имеют огромную проникающую способность и поэтому трудноуловимы. Тем не менее, существуют специальные нейтринные обсерватории, которые фиксируют потоки солнечных нейтрино. Регистрация нейтрино – крайне важная задача, поскольку именно нейтрино несет информацию о процессах, происходящих в недрах Солнца и подобных ему звезд.

Источник

Внутренняя энергия солнца источники энергии

§ 20. ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ И ВНУТРЕННЕЕ СТРОЕНИЕ СОЛНЦА

1. Источники энергии Солнца. На протяжении миллиар­дов лет Солнце ежесекундно излучает огромную энергию. Как и вообще все физические процессы, излучение Солнца и других звезд подчиняется важнейшему закону природы — закону сохранения и превращения энергии. Следовательно, энергия Солнца не может возникнуть из ничего и суще­ствуют источники, поддерживающие непрерывное излучение Солнца.

Согласно современным представлениям, в недрах Солнца и других звезд происходят термоядерные реакции. В ходе этих реакций, сопровождающихся большим выделением энергии, одни химические элементы превращаются в другие. Вы знаете, что самый распространенный элемент на Солнце — водород. В недрах Солнца он ионизован и нахо­дится в виде ядер атомов водорода — протонов. Скорость этих протонов в условиях огромных температур настолько велика, что они сближаются, преодолевая электрические силы отталкивания. На очень близких расстояниях всту­пают в действие мощные ядерные силы и начинаются реак­ции, в ходе которых возникают ядра новых химических элементов. Внутри Солнца водород превращается в гелий.

Рассмотрим один из возможных путей такого перехода. Слияние двух протонов ( 1 H ) сопровождается образованием ядра тяжелого водорода дейтерия ( 2 D ) и испусканием двух элементарных частиц: позитрона (е + ) и нейтрино (ν). Кратко эту реакцию можно записать так:

. (30)

Если образовавшийся в результате взаимодействия протонов дейтерий сам вступит в ядерную реакцию с протоном, то возникнет ядро легкого изотопа гелия ( 3 Не) и выделится энергия в виде коротковолнового гамма-излучения (γ):

. (31)

В дальнейшем слияние двух ядер 3 Не приведет к образо­ванию ядра гелия ( 4 Не) и двух ядер водорода:

. (32)

Рассмотренная цепочка из трех реакций называется протон-протонным циклом . В результате цик­ла из четырех ядер водорода образуется одно ядро гелия. Какая же энергия выделяется при этом?

Масса одного протона в атомных единицах составляет 1,008, четырех — 4,032. Поскольку масса одного ядра гелия 4,004, то разность 4,032 — 4,004 = 0,028 (дефект массы). Так как 0,028 : 4,032 = 0,007, то при синтезе 1 г гелия дефект массы составит примерно 0,007 г . Зная это и используя от­крытый Эйнштейном закон взаимосвязи массы и энергии Е=тс 2 , подсчитаем, сколько энергии выделяется при «сго­рании» 1 г водорода:

кг м/с Дж

(с = 3•10 8 м/с — скорость света).

Один из продуктов протон-протонного цикла — ней­трино. Эти частицы способны почти без взаимодействия с веществом проникать сквозь толщу всей звезды, унося неко­торую энергию непосредственно из ее центральных областей. Огромная проникающая способность нейтрино делает их трудноуловимыми: их невозможно непосредственно зареги­стрировать обычными счетчиками элементарных частиц. Но сделать это крайне важно и интересно, так как нейтринное излучение, в отличие от всех других видов излучения, как бы позволяет «заглянуть» в недра Солнца. Нейтринные на­блюдения Солнца (они уже проводятся с помощью нейтрин­ных телескопов, установленных глубоко под Землей) позволят выяснить, насколько верна общепринятая гипотеза об источниках энергии Солнца и подобных ему звезд. Откры­тие источника энергии звезд имеет важное значение для по­нимания процессов, происходящих внутри звезд. Кроме того, оно послужило толчком к поискам путей технического использования термоядерного синтеза в земных условиях (проблема управляемых термоядерных реакций).

2*. Внутреннее строение Солнца . Основываясь на дан­ных о массе, светимости, радиусе Солнца, на физических законах (которые благодаря своей универсальности приме­нимы не только на Земле, но и в условиях других небесных тел), можно получить данные о давлении, плотности, темпе­ратуре и химическом составе на разных расстояниях от цен­тра Солнца. Первые три параметра (давление, плотность, температура) возрастают с глубиной, достигая максималь­ных значений в центре Солнца. Химический состав Солнца тоже не остается одинаковым на разных глубинах: водород всюду на Солнце оказывается самым распространенным эле­ментом, но процентное содержание водорода меньше все­го в центре и больше всего в фотосфере Солнца и его атмо­сфере.

Согласно современным данным, термоядерные реакции происходят только в центральных областях Солнца, прости­рающихся не далее 0,3 радиуса от его центра. Ближе к по­верхности, где температура значительно меньше, чем около центра Солнца, источников энергии нет. Значит, энергия, выделяющаяся в результате термоядерного синтеза, должна быть передана наружу через огромную толщу раскаленной плазмы. От 0,3 до 0,7 радиуса Солнца (считая от центра) энергия передается излучением от слоя к слою. При этом слои не меняются своими местами, а энергия, излучен­ная нижним слоем, поглощается верхним и затем переизлу­чается им и т. д. Происходит очень медленное, длящееся не менее миллиона лет «просачивание» излучения от центра Солнца к поверхности. Каждый последующий слой излучает кванты меньшей энергии, чем предыдущий. Поэтому хотя в центральных областях Солнца вырабатываются гамма-кванты, но далее они последовательно превращаются в кванты рентгеновского излучения, затем ультрафиолетового и, наконец, вблизи поверхности, в кванты видимого излуче­ния. Примерно на расстоянии 0,3 радиуса Солнца от его по­верхности основным процессом переноса энергии из глубины наружу становится, как вы уже знаете, конвекция . Конвективная зона простирается до фотосферы, и о проис­ходящей в подфотосферных слоях конвекции свидетель­ствует грануляция на поверхности Солнца.

Равновесие Солнца обеспечивается тем, что силы тяго­тения, стремящиеся сжать газовый шар, уравновешиваются силами внутреннего газового давления. Исходя из этого, оценим давление и температуру в центре Солнца.

Выделим внутри Солнца столбик с площадью основания S и высотой h = . Сила газового давления ( F ) вблизи цен­тра уравновешивается весом столбика вещества, т.е. F = Р. Вес рассматриваемого вещества можно рассчитать по его массе: Р= mg , а поскольку т=ρ V = ρ S , то

Р =ρ S g .

Принимая с целью упрощения расчетов и вычисляя g из закона всемирного тяготения при r = /2, полу­чим

. (33)

Так как давление есть то давление в центре Солнца можно оценить по формуле:

. (34)

Откуда р_ц = 1,1• 10 15 Па. Более строгие вычисления дают р_ц = 2 • 10 16 Па.

Плотность в центре Солнца на самом деле не равна сред­ней плотности, а на порядок выше ее, т. е. ρ_ц (так как = 1,4 • 10 3 кг/м 3 , то ρ_ц = 1,4 • 10 4 кг/м 3 !).

Несмотря на огромную плотность вещества, даже в цен­тре Солнца расстояния между частицами велики по сравне­нию с размерами частиц. Но в таком случае к веществу в центре Солнца применимо уравнение Менделеева — Клапей­рона:

,

где ρ — давление газа; R = 8,31 Дж/(моль•К) — универсаль­ная газовая постоянная; М, Т и ρ — соответственно моляр­ная масса, абсолютная температура и плотность газа. От­сюда

и получаем формулу для приближенного вычисления темпе­ратуры в центре Солнца:

(35)

Аналогичные рассуждения позволяют сделать оценки р и Т не только для центра Солнца, но и, например, для глу­бины, равной половине радиуса ( /2). В принципе можновычислить р, Т и ρ на любой глубине и получить распреде­ления этих параметров с глубиной: р = p ( r ), T = Т( r ) и ρ = ρ( r ) . Совокупность этих функций (их можно представить в виде формул, таблиц или графиков) образует модель внутреннего строения Солнца. Астрономы пытаются строить мо­дели, максимально приближенные к реальности. Они сводят к минимуму упрощающие допущения; учитывают изменение химического состава с глубиной и то, как на Солнце выра­батывается энергия и каким образом осуществляется ее пе­ренос; используют самые современные методы вычисления. И все-таки в результате получается не копия внутреннего строения Солнца (или других звезд), а скорее «контуры», позволяющие постичь главное, отвлекаясь от второстепен­ного, несущественного.

Источник

Внутреннее строение Солнца

Знаете ли вы, каково внутреннее строение Солнца? То, что мы можем разглядеть на дневном небе невооруженным глазом – всего лишь часть внешней оболочки звезды. Под ней скрываются самые мощные в Солнечной системе термоядерные процессы и слои плазмы, чья температура достигает десятки миллионов градусов Цельсия. Благодаря этому Солнце является главным поставщиком энергии для Земли и других планет в нашей звездной системе.

Во внутреннем строении Солнца наблюдается четкая зональность. Массивное солнечное ядро является эпицентром термоядерных реакций. В зоне лучистого переноса происходит теплопередача между нижними и верхними слоями солнечной плазмы. Конвективная зона отделяет внутреннюю оболочку Солнца от его атмосферы и передает тепловую энергию путем перемешивания плазменных потоков.

В статье мы опишем подробно каждую из трех зон и процессы, происходящие в них.

Солнечное ядро

Солнечное ядро – самое горячее и активное место в нашей звездной системе. Его размеры занимают четвертую часть всего Солнца, а плотность составляет 150*10 3 кг/куб. м. Температура в центре солнечного ядра достигает 14*10 6 градусов Цельсия.

Ежесекундно путем термоядерных реакций в солнечном ядре образуется порядка 5 млн. тонн элементарных частиц. Это коротковолновые гамма-кванты огромной энергетической мощности. Энергия, возникающая при их образовании, нагревает все остальные оболочки Солнца и распространяется за его пределы в виде света и потоков солнечного ветра. Земля поглощает ничтожно малую часть от всего солнечного излучения – 0,5*10 -9 .

По подсчетам исследователей, водородного топлива для поддержания процессов энерговыделения в Солнце хватит еще на 6,5 миллиардов лет. После окончания запасов водорода звезда перейдет в фазу красного карлика – его оболочки многократно увеличатся в размере, поглотив внутренние планеты Солнечной системы, а ядро разогреется до 100 млн. градусов Цельсия. По окончанию этого периода жизни звезды ее внешние оболочки образуют планетарную туманность, а ядро окончательно оформится в белого карлика, который будет постепенно угасать.

Зона лучистого переноса

В зоне лучистого переноса происходит дальнейшее перераспределение энергии термоядерных реакций ядра. Плотность среднего слоя мало отличается от плотности ядра Солнца. Поэтому перенос энергии может происходить лишь в виде поглощения и излучения квантов электромагнитного излучения. Переизлучение фотонов в зоне лучистого переноса происходит многократно, поэтому первичный ядерный фотон добирается до конвективной зоны за несколько сотен тысяч лет.

Температура в зоне лучистого переноса снижается от 7 до 2 млн. градусов Цельсия по мере удаления от центра.

Конвективная зона

Конвективная зона является границей между внутренними и внешними оболочками Солнца. Плотность частиц здесь гораздо ниже, чем в ядре, и поэтому перераспределение тепла происходит путем перемешивания потоков охлажденной у поверхности и нагретой на глубине плазмы. Данное явление называется конвекцией. Именно оно обусловливает развитие динамо-эффекта и образование магнитного поля Солнца.

Перемешивание плазмы в конвективной зоне – процесс упорядоченный. Она образует шестигранные столбы циркулирующего вещества. Их верхушки образуют грануляции на поверхности фотосферы – нижнего слоя солнечной атмосферы, а некоторые супергранулы заканчиваются в пределах короны Солнца. Скорость конвекции плазмы колеблется от 1 м/с до 1 км/с по мере приближения к атмосфере звезды. В слоях атмосферы звезды перераспределение энергии снова происходит путем лучистого переноса.

Конвективная зона – самая холодная среди внутренних зон Солнца — температура не превышает 5400° С. Толщина области конвекции — около 2*10 5 км. Здесь начинает происходить процесс ионизации атомов водорода и гелия, которые, проходя через оболочки атмосферы и полностью теряя электроны, превращаются в потоки солнечного ветра. Именно они обуславливают космическую погоду, а также северные сияния и магнитные бури на Земле.

Источник