Sun
Солнце. Звезда давшая начало всему живому в нашей системе, приблизительно в 750 раз превосходит по массе все остальные тела солнечной системы, поэтому всё в нашей системе можно считать обращающимся вокруг солнца, как общего центра масс.
Солнце - это сферически симметричный раскаленный плазменный шар, находящийся в равновесии. Оно, вероятно, возникло вместе с другими телами Солнечной системы из газопылевой туманности примерно 5 млрд. лет назад. В начале своей жизни солнце, примерно на 3/4 состояло из водорода. Затем, из-за гравитационного сжатия, температура и давление в недрах настолько увеличились, что самопроизвольно начала происходить термоядерная реакция, в ходе которой водород превращаться в гелий. В результате этого очень сильно поднялась температура в центре Солнца, (порядка 15.000.000о К), а давление в его недрах возросло настолько ( 1,5х105 кг/м3), что смогло уравновесить силу тяжести и остановить гравитационное сжатие. Так возникла современная структура Солнца.
Примечание : В звезде есть гигантский резервуар гравитационной энергии. Но черпать из него энергию безнаказанно нельзя. Нужно, чтобы Солнце сжималось, причем оно должно уменьшаться в 2 раза каждые 30 миллионов лет. Полный запас тепловой энергии в звезде примерно равен ее гравитационной энергии с обратным знаком, т. е. порядка GM2/R. Для Солнца тепловая энергия равна 4*1041 Дж. Каждую секунду Солнце теряет 4*1026 Дж. Запаса его тепловой энергии хватило бы лишь на 30 миллионов лет. Спасает термоядерный синтез - объединение легких элементов, сопровождающеесся гигантским энерговыделением. Впервые на него этот механизм , еще в 20-е годы 20-го века, указал английский астрофизик А. Эдингтон, который заметил что четыре ядра атома водорода (протона) имеют массу 6,69* 10-27 кг, а ядро гелия - 6,65* 10-27 кг. Дефект массы объясняется теорией относительности. По формуле Эйнштейна полная энергия тела связана с массой соотношением E = Мс2. Энергия связи в гелии на один нуклон больше, значит, глубже его потенциальная яма и меньше его полная энергия. Если каким-то образом из 1 кг водорода синтезировать гелий, выделится энергия, равная 6* 1014 Дж. Это примерно 1 % полной энергии затраченного топлива. Вот вам и резервуар энергии.
Современники, однако, скептически отнеслись к гипотезе Эдингтона. По законам классической механики для сближения протонов на расстояние порядка радиуса действия ядерных сил необходимо преодолеть силы кулоновского отталкивания. Для этого их энергия должна превышать величину кулоновского барьера. Расчёт показал, что для начала процесса термоядерного синтеза необходима температура около 5 млрд градусов, но температура в центре Солнца примерно в 300 раз меньше. Таким образом, Солнце казалось недостаточно горячим для того, чтобы в нем был возможен синтез гелия.
Гипотезу Эдингтона спасла квантовая механика. В 1928 году молодой советский физик Г.А. Гамов обнаружил, что согласно ее законам частицы могут с некоторой вероятностью просачиваться через потенциальный барьер даже в том случае, когда их энергия ниже его высоты. Это явление получило название подбарьерного или туннельного перехода. (Последнее образно указывает на возможность очутиться по другую сторону горы, не взбираясь на ее вершину.) С помощью туннельных переходов Гамов объяснил законы радиоактивного a-распада и тем самым впервые доказал применимость квантовой механики к ядерным процессам (почти в то же время туннельные переходы были открыты Р. Генри и Э. Кондоном). Гамов обратил также внимание на то, что благодаря туннельным переходам сталкивающиеся ядра могут вплотную сблизиться друг с другом и вступить в ядерную реакцию при энергиях, меньших величины кулоновского барьера. Это побудило австрийского физика Ф. Хоутерманса (которому Гамов рассказал о своих работах еще до их публикации) и астронома Р. Аткинсона вернуться к идее Эдингтона о ядерном происхождении солнечной энергии. И хотя одновременное столкновение четырех протонов и двух электронов с образованием ядра гелия представляет собой крайне маловероятный процесс. В 1939 году Г. Бете удалось найти цепочку (цикл) ядерных реакций, приводящих к синтезу гелия. Катализатором синтеза гелия в цикле Бете выступают ядра углерода C12, количество которых остается неизменным
Итак - реально в качестве топлива для звезд может служить только центральная их часть с массой, составляющей 10 % полной массы. Подсчитаем, на сколько времени хватит Солнцу ядерного топлива.
Полная энергия Солнца М*с2 = 1047 Дж, ядерная энергия (Еяд) составляет примерно 1%, т. е. 1045 Дж, и с учетом того, что не все вещество может сгореть, получится 1044 Дж. Разделив эту величину на светимость Солнца 4*1026 Дж/c, получим, что его ядерной энергии хватит на 10 миллиардов лет.
Вообще масса звезды однозначно определяет её дальнейшую судьбу, так как ядерная энергия звезды Еяд ~ Мс2 , а светимость ведет себя примерно как L ~ М3. Время выгорания называют ядерным временем; оно определяется как tяд =~ Еяд/L = lO10 (M/MСолнца)-2 лет.
Чем больше звезда, тем быстрее она себя сжигает!. Соотношение трех характерных времен - динамического, теплового и ядерного - определяет характер эволюции звезды. То, что динамическое время много меньше теплового и ядерного, означает, что звезда всегда успевает прийти в гидростатическое равновесие. А то, что тепловое время меньше ядерного,- что звезда успевает прийти и в тепловое равновесие, т. е. в равновесие между количеством энергии, выделяемым в центре в единицу времени, и количеством энергии, излучаемым поверхностью звезды (светимостью звезды). В Солнце каждые 30 миллионов лет обновляется запас тепловой энергии. Но энергия в Солнце переносится излучением. Значит, фотонами. Фотон, рожденный в термоядерной реакции в центре, на поверхности появляется через тепловое время, ~ 30 миллионов лет). Фотон движется со скоростью света, но, все дело в том, что он, постоянно поглощаясь и переизлучаясь, сильно запутывает свою траекторию, так что ее длина становится равной 30 миллионам световых лет. За такое большое время излучение успевает прийти в тепловое равновесие с веществом, по которому оно движется. Поэтому спектр звезд и близок к спектру черного тела. Если бы источники термоядерной энергии "выключились" (подобно лампочке) сегодня, то Солнце продолжало бы светить еще миллионы лет.
За время существования Солнца (4.6 млрд. лет) в его ядре выгорела значительная часть водорода. Оставшегося должно хватить на 2-3 млрд лет, после чего Солнце начнет сжиматься и при этом нагреваться (за счёт сил гравитации). Неизбежно наступит момент, когда температура станет достаточной для загорания гелия. Три ядра гелия с выделением энергии будут объединяться в ядро углерода C12. Температура при этом будет столь велика, что под действием светового давления раздуется внешняя оболочка Солнца, превращая его в красный гигант. Центральное же ядро Солнца станет белым карликом (то есть звездой малых размеров с огромной плотностью и высокой температурой). Чтобы экспериментально проверить всю картину термоядерных процессов внутри Солнца, надо заглянуть в его центр. Такую возможность дают нейтрино, рождающиеся внутри солнечного ядра при термоядерном "горении" водорода.
Нейтрино беспрепятственно выходят из Солнца со скоростью света за время, равное 700 000 км : 300 00 км/с = 2,3 с (радиус Солнца в световых секундах). Регистрация на Земле четырьмя независимыми установками потока солнечных нейтрино, несомненно, подтвердила термоядерное происхождение солнечной энергии. Но результаты этих экспериментов поставили перед физикой новые проблемы. Число реакций, вызываемых солнечными нейтрино, оказалось в два-три раза меньше, чем следовало из расчетов, основанных на теоретических моделях Солнца и данных о вероятностях тех или иных каналов ядерных реакций. Какова же природа этих расхождений? Гипотез много - это тема отдельной статьи, но понятно одно температура ядра солнца здесь ни причём
Мощность излучения Солнца 3,8х1020 МВт. 48 % излучения приходится на видимую область спектра, 45 % на инфракрасную, а остальные 8 % распределяются между остальными (радио,ультрафиолет, и т. д.). На Землю, через 8 минут и 20 секунд после излучения, падает только около половины миллиардной доли. Однако она поддерживает в газообразном состоянии земную атмосферу, постоянно нагревает сушу и водоемы, дает энергию ветрам и водопадам, обеспечивает жизнедеятельность животных и растений.
Почти вся энергия Солнца генерируется в центральной области с радиусом примерно 1/3 солнечного. Через слои, окружающие центральную часть, эта энергия передается наружу. На протяжении последней трети радиуса находится конвективная зона. Причина возникновения перемешивания (конвекции) в наружных слоях Солнца та же, что и в кипящем чайнике: количество энергии, поступающие от нагревателя, гораздо большее того, которое отводится теплопроводностью. Поэтому вещество вынуждено приходит в движение и начинает само переносить тепло. Над конвективной зоной располагаются непосредственно наблюдаемые слои Солнца, называемые его атмосферой.
Солнечная атмосфера также состоит из нескольких различных слоев. Самый глубокий и тонкий из них- фотосфера, непосредственно наблюдаемая в видимом непрерывном спектре. Толщина фотосферы всего около 300 км. Чем глубже слои фотосферы, тем они горячее. Во внешних более холодных слоях фотосферы на фоне непрерывного спектра образуются фраунгоферовы линии поглощения.
Во время наибольшего спокойствия земной атмосферы в телескоп можно наблюдать характерную зернистую структуру фотосферы. Чередование маленьких светлых пятнышек- гранул- размером около 1000 км., окруженных темными промежутками, создает впечатление ячеистой структуры- грануляции. Возникновение грануляции связано с происходящей под фотосферой конвекцией. Отдельные гранулы на несколько сотен градусов горячее окружающего их газа, и в течении нескольких минут их распределение по диску Солнца меняется. Спектральные измерения свидетельствуют о движении газа в гранулах, похожих на конвективные: в гранулах газ поднимается, а между ними- опускается.
Эти движения газов порождают в солнечной атмосфере акустические волны, подобные звуковым волнам в воздухе.
Распространяясь в верхние слои солнечной атмосферы, волны, возникшие в конвективной зоне и в фотосфере, передают им часть механической энергии конвективных движений и производят нагревание газов последующих слоев атмосферы- хромосферы и короны. В результате верхние слои фотосферы с температурой около 4500K оказываются самыми "холодными" на Солнце. Как вглубь, так и вверх от них температура газов быстро растет.
Расположенный над фотосферой слой, называемый хромосферой, во время полных солнечных затмений в те минуты, когда Луна полностью закрывает фотосферу, виден как розовое кольцо, окружающее темный диск. На краю хромосферы наблюдаются выступающие как бы язычки пламени- хромосферные спикулы, представляющие собою вытянутые столбики из уплотненного газа. Тогда же можно наблюдать и спектр хромосферы, так называемый спектр вспышки. Он состоит из ярких эмиссионных линий водорода, гелия ионизированного кальция и других элементов, которые внезапно вспыхивают во время полной фазы затмения. Выделяя излучение Солнца в этих линиях, можно получить в них его изображение.
Хромосфера отличается от фотосферы значительно более неправильной неоднородной структурой. Заметно два типа неоднородностей- яркие и темные. По своим размерам они превышают фотосферные гранулы. В целом распределение неоднородностей образует так называемую хромосферную сетку, особенно хорошо заметную в линии ионизированного кальция. Как и грануляция, она является следствием движений газов в подфотосферной конвективной зоне, только происходящие в более крупных масштабах. Температура в хромосфере быстро растет, достигая в верхних ее слоях десятков тысяч градусов.
Самая внешняя и самая разреженная часть солнечной атмосферы- корона, прослеживающаяся от солнечного лимба до расстояний в десятки солнечных радиусов и имеющая температуру около миллиона градусов. Корону можно видеть только во время полного солнечного затмения либо с помощью коронографа.
Солнечная атмосфера постоянно колеблется. В ней распространяются как вертикальные, так и горизонтальные волны с длинами в несколько тысяч километров. Колебания носят резонансный характер и происходят с периодом около 5 минут.
В возникновении явлений, происходящих на Солнце, большую роль играет магнитное поле, которое сильнее земного в 6000 раз. Вещество на Солнце всюду представляет собой намагниченную плазму, смесь электронов и ядер водорода и гелия. Иногда в отдельных областях напряженность магнитного поля быстро и сильно возрастает. Этот процесс сопровождается возникновением целого комплекса явлений солнечной активности в различных слоях солнечной атмосферы. К ним относятся факелы и пятна в фотосфере, флоккулы в хромосфере, солнечные вспышки зарождающиеся в хромосфере и протуберанцы (выбросы вещества) в короне.
Солнечные пятна появляются парами в тех местах, где линии искаженного магнитного поля выходят из поверхности и входят в нее. Пара пятен при этом образует пару полюсов поля - южный и северный. В годы повышенной солнечной активности магнитное поле искажено сильнее и пятен на Солнце больше. В годы "спокойного" Солнца пятен может не быть вовсе. Период изменения солнечной активности приближенно принято считать равным 11,2 года. После появления пятна могут просуществовать от нескольких часов до нескольких месяцев. Форма и размеры пятен бывают различными. Их температура на 1000-1500°ниже, чем у остальной поверхности Солнца, и лишь поэтому они кажутся темными. Холодными пятна можно считать только относительно прочих частей поверхности Солнца.
Солнце- мощный источник радиоизлучения. В межпланетное пространство проникают радиоволны, которые излучает хромосфера (сантиметровые волны) и корона (дециметровые и метровые волны).
Радиоизлучение Солнца имеет две составляющие- постоянную и переменную (всплески, "шумовые бури"). Во время сильных солнечных вспышек радиоизлучение Солнца возрастает в тысячи и даже миллионы раз по сравнению с радиоизлучением спокойного Солнца. Это радиоизлучение имеет нетепловую природу.
Рентгеновские лучи исходят в основном от верхних слоев хромосферы и короны. Особенно сильным излучение бывает в годы максимума солнечной активности.
Солнце излучает не только свет, тепло и все другие виды электромагнитного излучения. Оно также является источником постоянного потока частиц- корпускул. Нейтрино, электроны, протоны, альфа-частицы, а также более тяжелые атомные ядра все вместе составляют корпускулярное излучение Солнца. Значительная часть этого излучения представляет собой более или менее непрерывное истечение плазмы- солнечный ветер, являющийся продолжением внешних слоев солнечной атмосферы- солнечной короны. На фоне этого постоянно дующего плазменного ветра отдельные области на Солнце являются источниками более направленных, усиленных, так называемых корпускулярных потоков. Скорее всего они связаны с особыми областями солнечной короны- коронарными дырами, а также, возможно, с долгоживущими активными областями на Солнце. Наконец, с солнечными вспышками связанны наиболее мощные кратковременные потоки частиц, главным образом электронов и протонов. В результате наиболее мощных вспышек частицы могут приобретать скорости, составляющие заметную долю скорости света. Частицы с такими большими энергиями называются солнечными космическими лучами.
Солнечное корпускулярное излучение оказывает сильное влияние на Землю, и прежде всего на верхние слои ее атмосферы и магнитное поле, вызывая множество геофизических явлений.
на главную
