Сегодня наука шагнула далеко вперед, и Солнце уже не кажется нам таким загадочным. Это не особый и уникальный объект, это звезда. Как и тысячи других звезд, которые мы видим на ночном небе. Но другие звезды находятся так далеко от нас, что с Земли они выглядят как маленькие огоньки. Солнце находится гораздо ближе к нам, и его сияние гораздо более заметно.
Путешествие из центра Солнца
Согласно общепринятым оценкам, Солнце эволюционировало 4,59 миллиарда лет назад. Правда, в последнее время астрономы заговорили о возрасте 6-7 миллиардов лет, но пока это только гипотезы. Конечно, наше Солнце не возникло из ниоткуда. Его мать представляла собой огромное облако газовой пыли, состоящее в основном из молекулярного водорода. Молекулы водорода медленно сжимались и деформировались под действием собственного веса, пока не образовали плоский диск. Возможно, произошли космические события, которые усилили гравитационную неустойчивость облака и вызвали его коллапс (это могла быть встреча с гигантской звездой или взрыв сверхновой). В центре диска появилась сфера раскаленной плазмы с температурой поверхности в несколько тысяч градусов, преобразующая часть его гравитационной энергии в тепло.
Яркость новорожденного продолжала уменьшаться, все больше и больше нагревая его внутренности. Через несколько миллионов лет их температура достигла 10 миллионов градусов Цельсия, где началась самоподдерживающаяся термоядерная реакция. Молодые звезды эволюционировали в нормальные основные звезды. Материя вблизи и вдали от диска конденсировалась в холодные тела, планеты и
Очень распространенные нормальные желтые звезды класса G2. Каждые 225-250 миллионов лет она совершает полный оборот по почти круговой орбите радиусом 26 000 световых лет вокруг центра типичной большой спиральной галактики с пассивным ядром, не излучающим мощный поток энергии. Но именно эта рутина делает нас счастливыми. Холодные и теплые звезды (а также звезды вблизи активных галактических центров) гораздо меньше подходят на роль колыбели жизни, по крайней мере, для углерода. Изображение: popularmechanics.
Детали паспорта Солнца следующие Возраст — 4,59 млрд лет — Масса — 1,989 x 1030 кг — Средний радиус — 696 000 км — Средняя плотность — 1,409 г/см3 (в четыре раза плотнее поверхности) — Фактическая температура поверхности (Солнце излучает как идеальное черное тело) — 5503°C (в пересчете на абсолютную температуру — 5778 Кельвина) — Общая излучательная способность — 3. 83 x 1023 кВт.
Нет строго определенных дней, так как Солнце не вращается полностью вокруг своей оси. Поверхность экваториального пояса полностью вращается за 27 земных суток, а зона патрулирования — за 35 суток. Осевое вращение внутренней части Солнца является более сложным, и его детали пока не известны.
В химическом составе солнечного вещества, естественно, преобладают водород (около 72% по массе) и гелий (26%). Чуть менее 1% составляет кислород, 0,4% — углерод и около 0,1% — неон. Выражая эти соотношения в атомных числах, мы находим, что на каждый миллион атомов водорода приходится 98 000 атомов гелия, 850 атомов кислорода, 360 атомов углерода, 120 атомов неона, 110 атомов азота, 40 атомов железа и кремния соответственно.
Солнечная механика
Многослойную структуру солнца часто сравнивают с луковицей. Это соотношение не очень хорошее, так как сами слои пронизаны сильным вертикальным потоком материи и энергии. Однако в качестве первого подхода это приемлемо. Солнце светит за счет термоядерной энергии, вырабатываемой в его ядре. Температура там достигает 15 млн °C, плотность 160 г/см3 и давление 3,4 х 1011 атм. В этих адских условиях происходят различные цепочки термоядерных реакций, составляющих протон-протонный цикл (p-p цикл). Название происходит от первой реакции, в которой два протона сталкиваются с образованием ядер дейтронов, позитронов и электронных нейтрино.
Процессы на Солнце напрямую влияют на судьбу нашего Солнца. По мере уменьшения запасов водорода ядро постепенно сжимается и становится горячее, увеличивая яркость Солнца. С тех пор как он стал звездой мейнстрима, он уже вырос на 25-30%, и этот процесс будет продолжаться. Примерно через 5 миллиардов лет температура ядра достигает нескольких сотен миллионов градусов, и в этот момент Солнце сгорает в своем центре (производя углерод и кислород). В этот момент водород на периферии смещается, и зона горения немного перемещается к поверхности. Солнце теряет свою гидростатическую устойчивость, и его внешний слой быстро расширяется, превращаясь в гигантское, но не такое яркое светило, красный гигант. Яркость этого гиганта будет на два порядка больше, чем у нынешнего Солнца, но продолжительность его жизни будет короче. В центре ядра быстро накопится большое количество углерода и кислорода, но отсутствие температуры не позволит ему взорваться. Внешний слой гелия продолжает гореть, постепенно расширяясь и, соответственно, охлаждаясь. Скорость плавления дубителя очень быстро увеличивается при повышении температуры и уменьшается при ее понижении. В результате внутренняя часть красного гиганта начинает быстро пульсировать, в конечном итоге выбрасывая свою атмосферу в космос со скоростью десятки километров в секунду. Сначала разрушающаяся звездная оболочка светится ярко-синим и зеленым светом под ионизирующим ультрафиолетовым излучением нижележащего звездного слоя — на этой стадии она называется планетарной туманностью. Однако через тысячи или десятки тысяч лет туманность остывает, темнеет и рассеивается в пространстве. Ядерные элементы совершенно не деформируются, ядро светится только от накопленной тепловой энергии, становясь все холоднее и темнее. Такие остывающие остатки мертвых звезд солнечного типа называются белыми карликами.
В ходе этих превращений (а их несколько) водород сгорает, образуя различные изотопы периодической таблицы, такие как гелий, бериллий, литий и бор. Последние три элемента подвергаются либо ядерным реакциям, либо распаду, но Солнце остается — скорее его основной изотоп, гелий-4, в результате чего четыре протона создают ядро гелия, два позитрона и два нейтрино. Позитроны быстро исчезают вместе с электронами, а нейтрино покидают Солнце, практически не реагируя на проблему. Каждая реакция в p-p цикле высвобождает 26,73 мегаэлектронвольт в виде кинетической энергии в образующихся частицах и гамма-лучах.
Если бы первичные облака состояли только из элементов, образовавшихся во время Большого взрыва (водород и SUN-4, очень маленький понедельник, смесь Sun-3 и лития-7), то эти реакции закончились бы полностью. Однако состав первичного материала гораздо богаче, и присутствие железа в солнечной атмосфере является неопровержимым доказательством. Этот элемент, как и ближайшие соседние элементы таблицы Менделеева, появляется только в гораздо более массивных и ярких телах, температура которых достигает миллиарда градусов. Солнце не входит в их число. Если есть железо, то это связано с тем, что первичное облако уже загрязнено этим металлом и многими другими элементами. Сверхновая является составной частью Солнца и уже заражена этим металлом в первичном облаке, а также многими другими элементами.
Лучистый перенос
Внешний край ядра находится на расстоянии около 150 000 км от центра Солнца (радиус 0,2). В этой зоне температура опускается примерно до 9 миллионов градусов Цельсия. При последующем охлаждении реакция цикла протон — протон прекращается — протон преодолевает электростатическую внешнюю видимость и не имеет кинетической энергии для слияния во второе ядро. Реакция цикла CNO там не идет, потому что температурный порог еще выше. Поэтому на пределе ядра солнечное ядро оказывается в вакууме.
Ядро окружено толстым сферическим слоем, в результате чего вертикальный уровень солнечного радиуса составляет 0,7. Это зона радиации. По мере продвижения от внутренней к внешней части зоны плотность уменьшается в сотни раз с 20 до 0,2 г/см3. Внешний слой плазмы холоднее внутреннего, но градиент температуры недостаточно велик, чтобы создать вертикальные токи, переносящие тепло от нижних слоев к верхним (этот механизм переноса тепла называется синагогой). В гиперъядерном слое нет синагог и не существует. Энергия, выделяемая в ядре, проходит через него в виде количеств электромагнитного излучения.
Солнце развивается вокруг своей оси, но не полностью. На этом рисунке показана вычислительная модель, основанная на доплеровских измерениях скорости вращения частей Солнца, полученных с помощью солнечной обсерватории (SOHO). Цвета указывают на скорость вращения (в порядке убывания: красный, желтый, зеленый, синий). Полосы теплой плазмы, движущиеся с различными скоростями, образуют «ленты», на границах которых происходит возмущение локального магнитного поля, что приводит к наиболее частому появлению солнечных пятен. Фотография ‘Популярные механизмы’.
Как насчет этого. Гамма-лучи, рожденные в центре ядра, рассеиваются в его сущности и постепенно теряют свою энергию. Они достигают границ ядра в виде мягких рентгеновских лучей (длина волны один нанометр, энергия 400-1300 эВ). Существа в них почти непрозрачны для них, и фотоны могут проникать в плазму на 1/100 градуса. Соревнуясь с ионами водорода и солнечного света, кванты приписывают себе энергию. Она тратится частично на поддержание кинетической энергии частицы на прежнем уровне, а частично повторно измеряется как новый квант. Таким образом, фотон постепенно рассеивается в существе, умирает и медленно возрождается. Поскольку вероятность того, что блуждающие кванты уйдут вверх (плотность материи ниже), выше, чем вниз, лучистая энергия течет из глубины зоны к ее внешним границам.
Материя неподвижна в зоне переноса излучения и поэтому полностью вращается вокруг солнечной оси. Но только на время. По мере продвижения фотонов к поверхности Солнца расстояние между столкновениями ионов увеличивается. Это означает, что солнечный материал на более теплых глубинах теплее, чем на малых глубинах, и поэтому разница в кинетической энергии между излучающими и поглощающими частицами больше. В результате плазма становится нестабильной, создавая условия для естественного движения материала. Зона переноса излучения преобразуется в зону конвекции.
Звезды живут за счет гравитации — именно поэтому они большие и огромные. Для того чтобы звезда сжалась и выделила невероятное количество энергии, достаточное для слияния, требуется огромная сила тяжести. Это секрет звезд — и именно поэтому они сияют.
Зона лучистого переноса
Эта зона расположена сразу после ядра и простирается до 0,7 солнечного излучения. В этом слое нет теплопроводности, но солнечный материал настолько горячий и плотный, что тепловое излучение легко передает сильное тепло от ядра наружу. Он состоит в основном из ионов водорода и гелия, которые испускают фотоны, проходящие небольшие расстояния и поглощаемые другими ионами.
Чтобы не пропустить ничего интересного из мира высоких технологий, подписывайтесь на наш канал Telegram News. Там вы узнаете много нового.
Температура в этом слое низкая — от около 7 миллионов градусов Цельсия вблизи ядра до около 2 миллионов градусов Цельсия на границе зоны конвекции. Плотность также в несколько сотен раз ниже — от 20 г/см³ вблизи ядра до 0,2 г/см³ у верхней границы.
Конвективная зона
Это внешний слой Солнца и представляет собой все, что находится выше 70% внутреннего радиуса Солнца (достигая примерно 200 000 км от поверхности). Температура здесь ниже, чем в зоне излучения, и более тяжелые атомы не полностью ионизированы. В результате перенос тепла излучением менее эффективен, а плотность плазмы достаточно низка, чтобы обеспечить конвекцию.
Поэтому восходящие тепловые элементы передают большую часть тепла на внешнюю сторону фотосферы Солнца. Когда эти ячейки поднимаются чуть ниже фотосферы, материал охлаждается, и его плотность увеличивается. Это заставляет их опускаться к основанию зоны конвекции, где они забирают больше тепла и продолжают цикл конвекции.
На поверхности Солнца температура падает примерно до 5700 °C. Возмущенные синагоги в этом слое Солнца также вызывают явления, порождающие магнитные северные и южные полюса на поверхности Солнца.
Солнечные пятна также появляются в этом слое и выглядят темнее, чем окружающие области. Эти пятна соответствуют концентрациям магнитного потока, которые вызывают конвекцию и снижают температуру поверхности по сравнению с окружающим материалом.
Фотосфера
Наконец, существует фотосфера — видимая поверхность Солнца. Именно здесь солнечный свет и тепло излучаются, поднимаются к поверхности и распространяются в пространстве. Температурный диапазон этого слоя составляет 4 500-6 000°C. Поскольку верхняя часть фотосферы холоднее нижней, Солнце выглядит ярче в центре и темнее по бокам. Это явление известно как темный край.
Толщина фотосферы составляет несколько сотен километров, и в этой области Солнце становится непрозрачным для видимого света. Причиной этого является уменьшение количества отрицательно заряженных ионов водорода (H-), которые склонны поглощать видимый свет. Напротив, видимый свет, который мы видим, возникает в результате реакции между электронами и атомами водорода с образованием ионов H-.
Подписывайтесь на наш канал на ЯндексЗене. Там вы найдете много интересного, чего нет даже на нашем сайте.
Энергия, высвобождаемая фотосферой, уходит в космос и достигает атмосферы Земли и других планет нашей Солнечной системы. На Земле верхний слой атмосферы (озоновый слой) фильтрует большую часть солнечного ультрафиолетового излучения, но часть его может достигать поверхности. Эта энергия поглощается воздухом и земной корой, нагревая планету и являясь источником энергии для живых организмов.
Солнце находится в центре биологических и химических процессов на Земле. Без него жизненные циклы растений и животных прекратились бы, циркадные ритмы всей земной жизни разрушились бы, и жизнь на Земле прекратила бы свое существование. Важность солнца была признана с доисторических времен, во многих культурах солнце считалось божеством (и часто главным божеством в их пантеоне).
Однако только в последние несколько столетий мы начали понимать процессы, которые питают Солнце. Благодаря постоянным исследованиям физиков, астрономов и биологов мы теперь понимаем, как Солнце генерирует энергию и как она течет по Солнечной системе. Изучение известной Вселенной с ее различными звездными системами и экзопланетами также помогает провести параллели с другими типами звезд.
