Путешествие из центра Солнца
Согласно общепринятым оценкам, Солнце возникло 4,59 млрд лет назад. Правда, в последнее время некоторые астрономы заговорили о том, что его возраст составляет 6–7 млрд лет, но это пока лишь гипотезы. Разумеется, наше дневное светило родилось не на пустом месте. Его матерью было исполинское газопылевое облако, состоящее в основном из молекулярного водорода, которое под действием собственного тяготения медленно сжималось и деформировалось, пока не превратилось в плоский диск. Не исключено, что имел место и отец в лице космического события, которое увеличило гравитационную нестабильность облака и подхлестнуло его коллапс (таковым могла оказаться встреча с массивной звездой или же взрыв сверхновой). В центре диска возникла сфера из светящейся плазмы с температурой поверхности в несколько тысяч градусов, переводившая в тепло часть своей гравитационной энергии.
Новорожденное светило продолжало сжиматься, всё больше разогревая свои недра. Через несколько миллионов лет их температура достигла 10 млн градусов Цельсия, и там начались самоподдерживающиеся реакции термоядерного синтеза. Юная протозвезда превратилась в нормальную звезду главной последовательности. Вещество ближней и дальней периферии диска сгустилось в холодные тела — планеты и планетоиды.
Вот кое-какие паспортные данные Солнца. Возраст — 4,59 млрд лет; масса — 1,989×10 30 кг; средний радиус — 696 000 км; средняя плотность — 1,409 г/см 3 (плотность земной материи в четыре раза выше); эффективная температура поверхности (вычисленная в предположении, что Солнце излучает как абсолютно черное тело) — 5503°C (в пересчете на абсолютную температуру — 5778 кельвинов); суммарная мощность излучения — 3,83×10 23 кВт.
Поскольку Солнце вращается вокруг собственной оси не как единое целое, строго определенных суток оно не имеет. Поверхность его экваториальной зоны делает полный оборот за 27 земных суток, а приполярных зон — за 35 суток. Осевое вращение солнечных внутренностей еще сложнее и во всех деталях пока неизвестно.
В химическом составе солнечного вещества, естественно, доминируют водород (примерно 72% массы) и гелий (26%). Чуть меньше процента составляет кислород, 0,4% — углерод, около 0,1% — неон. Если выразить эти соотношения в количестве атомов, то получается, что на миллион атомов водорода приходится 98 000 атомов гелия, 850 атомов кислорода, 360 — углерода, 120 — неона, 110 — азота и по 40 атомов железа и кремния.
Солнечная механика
Слоистую структуру Солнца нередко сравнивают с луковицей. Эта аналогия не слишком удачна, поскольку сами слои пронизаны мощными вертикальными потоками вещества и энергии. Но в первом приближении она приемлема. Солнце светит за счет термоядерной энергии, которая генерируется в его ядре. Температура там достигает 15 млн градусов Цельсия, плотность — 160 г/см 3 , давление — 3,4×10 11 атм. В этих адских условиях осуществляется несколько цепочек термоядерных реакций, составляющих протон-протонный цикл (p-p-цикл). Этим именем он обязан начальной реакции, где два протона, столкнувшись, порождают ядро дейтерия, позитрон и электронное нейтрино.
День грядущий
От процессов в солнечных недрах непосредственно зависит грядущая судьба нашего светила. По мере уменьшения запасов водорода ядро постепенно сжимается и разогревается, что увеличивает светимость Солнца. С момента превращения в звезду главной последовательности она уже выросла на 25–30% — и процесс будет продолжаться. Примерно через 5 млрд лет температура ядра достигнет сотни миллионов градусов, и тогда в его центре загорится гелий (с образованием углерода и кислорода). На периферии в это время будет дожигаться водород, причем зона его сгорания несколько сдвинется по направлению к поверхности. Солнце потеряет гидростатическую устойчивость, его внешние слои сильно раздуются, и оно превратится в исполинское, но не очень яркое светило – красный гигант. Светимость этого исполина на два порядка превысит нынешнюю светимость Солнца, но его жизненный срок будет короче. В центре его ядра быстро накопится большое количество углерода и кислорода, которые вспыхнуть уже не смогут — не хватит температуры. Внешний гелиевый слой будет продолжать гореть, постепенно расширяясь и в силу этого охлаждаясь. Скорость термоядерного сгорания гелия чрезвычайно быстро растет с повышением температуры и падает с ее снижением. Поэтому внутренности красного гиганта начнут сильно пульсировать, и в конце концов дело может дойти до того, что его атмосфера окажется выброшенной в окружающий космос со скоростью в десятки километров в секунду. Сначала разлетающаяся звездная оболочка под действием ионизирующего ультрафиолетового излучения нижележащих звездных слоев ярко засияет голубым и зеленым светом — на этой стадии она называется планетарной туманностью. Но уже через тысячи или десятки тысяч лет туманность остынет, потемнеет и рассеется в пространстве. В ядре превращение элементов прекратится вовсе, и оно будет светить лишь за счет накопленной тепловой энергии, все больше остывая и угасая. Такие холодеющие остатки почивших в бозе звезд солнечного типа называют белыми карликами.
В ходе этих превращений (а их довольно много) сгорает водород и рождаются различные изотопы таких элементов Периодической системы, как гелий, бериллий, литий и бор. Три последних элемента вступают в ядерные реакции либо распадаются, а гелий остается — вернее, остается его основной изотоп гелий-4. В результате оказывается, что четыре протона дают начало одному ядру гелия, двум позитронам и двум нейтрино. Позитроны немедленно аннигилируют с электронами, а нейтрино покидают Солнце, практически не реагируя с его веществом. Каждая реакция p-p-цикла высвобождает 26,73 мегаэлектронвольта в форме кинетической энергии рожденных частиц и гамма-излучения.
Если бы протосолнечное облако состояло исключительно из элементов, возникших в ходе Большого взрыва (водорода и гелия-4 с очень малой примесью дейтерия, гелия-3 и лития-7), то этими реакциями все бы и закончилось. Однако композиция протосолнечного вещества была намного богаче, неоспоримым доказательством чему служит хотя бы наличие железа в солнечной атмосфере. Этот элемент, как и его ближайшие соседи в менделеевской таблице, рождается только в недрах гораздо более массивных светил, где температуры достигают миллиардов градусов. Солнце к ним не относится. Если железо там все-таки имеется, то лишь потому, что первичное облако уже было загрязнено и этим металлом, и еще многими другими элементами. Все они образовались в ядерных топках гигантских звезд прежних поколений, взорвавшихся сверхновыми и разбросавших продукты своей творческой деятельности по всему космическому пространству.
Это обстоятельство не сильно меняет вышеприведенную схему внутрисолнечного термоядерного синтеза, но все-таки привносит в нее кое-какие поправки. Дело в том, что при 15 млн градусов водород может превратиться в гелий и в углеродно-азотно-кислородном цикле (CNO-цикл). В его начале протон сталкивается с ядром углерода-12 и порождает ядро азота-13 и квант гамма-излучения. Азот распадается на ядро углерода-13, позитрон и нейтрино. Ядро тяжелого углерода опять-таки сталкивается с протоном, из чего происходят азот-14 плюс гамма-квант. Азот заглатывает третий протон с выделением гамма-кванта и кислорода-15, который трансформируется в азот-15, позитрон и нейтрино. Ядро азота захватывает последний, четвертый протон и раскалывается на ядра углерода-12 и гелия-4. Суммарный баланс такой же, как и в первом цикле: четыре протона в начале, альфа-частица (она же ядро гелия-4), пара позитронов и пара нейтрино в конце. Плюс, естественно, такой же выход энергии, без малого 27 МэВ. Что до углерода-12, то он в этом цикле вообще не расходуется, исчезает в первой реакции и снова появляется в последней. Это не топливо, а катализатор.
Реакции CNO-цикла внутри Солнца идут довольно вяло и обеспечивают лишь полтора процента общего выхода энергии. Однако забывать их не стоит хотя бы потому, что иначе расчетная мощность потока солнечных нейтрино будет заниженной. Загадки нейтринного излучения Солнца очень интересны, но это вполне самостоятельная тема, которая не укладывается в рамки данной статьи.
Ядро совсем молодого Солнца на 72% состояло из водорода. Модельные расчеты показали, что сейчас на его долю приходится лишь 35% массы центральной зоны ядра и 65% — периферийной. Ничего не поделаешь, выгорает даже ядерное топливо. Впрочем, его хватит еще миллиардов на пять лет. Процессы в термоядерной топке Солнца иногда сравнивают со взрывом водородной бомбы, но сходство здесь весьма условно. Десятки килограммов начинки мощных ядерных бомб имеют мощность в мегатонны и десятки мегатонн тротилового эквивалента. А вот солнечное ядро при всей его гигантской массе вырабатывает всего около ста миллиардов мегатонн в секунду. Нетрудно сосчитать, что средняя мощность энерговыделения составляет шесть микроватт на килограмм — человеческое тело производит тепло в 200 000 раз активней. Солнечный термояд не «взрывается», а медленно-медленно «тлеет» — к великому нашему счастью.
Лучистый перенос
Внешняя граница ядра находится приблизительно в 150 000 км от центра Солнца (0,2 радиуса). В этой зоне температура снижается до 9 млн градусов. При последующем охлаждении реакции протон-протонного цикла прекращаются — у протонов недостает кинетической энергии для преодоления электростатического отталкивания и слияния в ядро дейтерия. Реакции CNO-цикла там тоже не идут, поскольку их температурный порог даже выше. Поэтому на границе ядра солнечный термояд сходит на нет.
Ядро окружено мощным сферическим слоем, который заканчивается на вертикальной отметке в 0,7 солнечного радиуса. Это лучистая зона (англ. radiative zone). Она заполнена водородно-гелиевой плазмой, плотность которой по мере движения от внутренней границы зоны к внешней сокращается в сотню раз, от 20 до 0,2 г/см 3 . Хотя внешние плазменные слои холоднее внутренних, температурный градиент там не настолько велик, чтобы возникли вертикальные потоки вещества, уносящие тепло от нижних слоев к верхним (такой механизм теплопереноса называется конвекцией). В надъядерном слое никакой конвекции нет и быть не может. Выделяемая в ядре энергия проходит сквозь него в виде квантов электромагнитного излучения.
Как это происходит? Рожденные в центре ядра гамма-кванты рассеиваются в его веществе, постепенно теряя энергию. До границы ядра они добираются в виде мягкого рентгена (длина волны порядка одного нанометра и энергия 400–1300 эВ). Тамошняя плазма для них почти непрозрачна, фотоны могут преодолеть в ней расстояние всего лишь в доли сантиметра. При столкновении с ионами водорода и гелия кванты отдают им свою энергию, которая частично уходит на поддержание кинетической энергии частиц на прежнем уровне, а частично переизлучается в виде новых квантов большей длины. Так что фотоны постепенно диффундируют через плазму, погибая и рождаясь вновь. Блуждающие кванты легче уходят вверх (где вещество менее плотно), нежели вниз, и поэтому лучистая энергия перетекает из глубин зоны к ее внешней границе.
Поскольку в зоне лучистого переноса вещество неподвижно, она вращается вокруг солнечной оси как единое целое. Но лишь до поры до времени. Во время перемещения к поверхности Солнца фотоны проходят все более длинные дистанции между столкновениями с ионами. Это означает, что разница в кинетической энергии излучающих и поглощающих частиц все время возрастает, ведь солнечная материя на бОльших глубинах горячее, чем на меньших. В результате плазма дестабилизируется и в ней возникают условия для физического перемещения вещества. Зона лучистого переноса переходит в конвективную зону.
Зона конвекции
Она начинается на глубине в 0,3 радиуса и простирается вплоть до поверхности Солнца (вернее, его атмосферы). Ее подошва нагрета до 2 млн градусов, в то время как температура внешней границы не достигает и 6000°C. От лучевой зоны ее отделяет тонкий промежуточный слой — тахоклин. В нем происходят интереснейшие, но пока не слишком изученные вещи. Во всяком случае есть основания считать, что движущиеся в тахоклине потоки плазмы вносят основной вклад в формирование солнечного магнитного поля. Нетрудно вычислить, что зона конвекции занимает около двух третей объема Солнца. Однако масса ее очень невелика — всего два процента солнечной. Это и естественно, ведь солнечное вещество по мере удаления от центра неотвратимо разрежается. У нижней границы зоны плотность плазмы равна 0,2 плотности воды, а при выходе в атмосферу она уменьшается до 0,0001 плотности земного воздуха над уровнем моря.
Вещество в конвективной зоне перемещается весьма запутанным образом. От ее подошвы восходят мощные, но медленные потоки горячей плазмы (поперечником в сотню тысяч километров), скорость которых не превышает нескольких сантиметров в секунду. Навстречу им опускаются не столь могучие струи менее нагретой плазмы, скорость которых измеряется уже метрами в секунду. На глубине в несколько тысяч километров восходящая высокотемпературная плазма разделяется на гигантские ячейки. Наиболее крупные из них имеют линейные размеры порядка 30–35 тысяч километров — их называют супергранулами. Ближе к поверхности образуются мезогранулы с характерным размером в 5000 км, а еще ближе — в 3–4 раза меньшие гранулы. Супергранулы живут около суток, гранулы — обычно не более четверти часа. Когда эти продукты коллективного движения плазмы добираются до солнечной поверхности, их легко увидеть в телескоп со специальным фильтром.
Атмосфера
Она устроена довольно сложно. Весь солнечный свет уходит в космос с ее нижнего уровня, который называют фотосферой. Основным источником света служит нижний слой фотосферы толщиной в 150 км. Толщина всей фотосферы составляет около 500 км. Вдоль этой вертикали температура плазмы снижается от 6400 до 4400 К.
В фотосфере постоянно возникают области пониженной (до 3700 К) температуры, которые светятся слабее и обнаруживаются в виде темных пятен. Количество солнечных пятен изменяется с периодом в 11 лет, но они никогда не покрывают больше 0,5% площади солнечного диска.
Над фотосферой расположен хромосферный слой, а еще выше — солнечная корона. О существовании короны известно с незапамятных времен, поскольку она превосходно видна во время полных солнечных затмений. Хромосферу же открыли сравнительно недавно, лишь в середине XIX века. 18 июля 1851 года сотни астрономов, собравшихся в Скандинавии и окрестных странах, наблюдали, как Луна закрывает солнечный диск. За несколько секунд до появления короны и перед самым концом полной фазы затмения ученые заметили у края диска светящийся красный полумесяц. Во время затмения 1860 года удалось не только лучше рассмотреть такие вспышки, но и получить их спектрограммы. Спустя девять лет английский астроном Норман Локьер назвал эту зону хромосферой.
Плотность хромосферы крайне мала даже по сравнению с фотосферой, всего 10–100 млрд частиц на 1 см 3 . Зато нагрета она сильнее — до 20 000°C. В хромосфере постоянно наблюдаются темные вытянутые структуры — хромосферные волокна (их разновидность — всем известные протуберанцы). Они представляют собой сгустки более плотной и холодной плазмы, поднятой из фотосферы петлями магнитного поля. Видны и участки повышенной яркости — флоккулы. И наконец, в хромосфере постоянно появляются и через несколько минут исчезают продолговатые плазменные структуры — спикулы. Это своего рода путепроводы, по которым материя перетекает из фотосферы в корону.
Корона — самая горячая часть атмосферы, ее температура достигает нескольких миллионов градусов. Этот нагрев можно объяснить с помощью нескольких моделей, базирующихся на принципах магнитной гидродинамики. К сожалению, все эти процессы очень сложны и изучены весьма слабо. Корона также насыщена разнообразными структурами — дырами, петлями, стримерами.
Солнечные проблемы
Несмотря на то что Солнце — это самый крупный и самый заметный объект земного неба, нерешенных проблем в физике нашего светила хватает. «Мы знаем, что магнетизм Солнца чрезвычайно сильно влияет на динамику его атмосферы — к примеру, порождает солнечные пятна. Но как он возникает и как распространяется в плазме, еще не выяснено, — отвечает на вопрос «ПМ» директор американской Национальной солнечной обсерватории Стивен Кейл. — На второе место я бы поставил расшифровку механизма возникновения солнечных вспышек. Это кратковременные, но крайне мощные выбросы быстрых электронов и протонов, сочетающиеся с генерацией столь же мощных потоков электромагнитного излучения самых разных длин волн. О вспышках собрана обширная информация, однако разумных моделей их возникновения пока нет. Наконец, надо бы понять, какими способами фотосфера подпитывает энергией корону и разогревает ее до температур, которые на три порядка превышают ее собственную температуру. А для этого прежде всего необходимо как следует определить параметры магнитных полей внутри короны, поскольку эти величины известны далеко не в полной мере».
Солнечные пятна
Трехмерная модель солнечного пятна, построенная на основе данных космической обсерватории SOHO. Верхняя плоскость — это поверхность Солнца, нижняя плоскость проходит на глубине 22 000 км. Вертикальная плоскость сечения продолжена до 24 000 км. Цветами обозначены области с различной скоростью звука (по мере убывания — от красной к синей и черной). Изображение: «Популярная механика»
Пятна — это места выхода в солнечную атмосферу сильных (в тысячи раз превышающих земное) магнитных полей. Это участки с пониженной (примерно до 3700 К) температурой на поверхности Солнца, поэтому на фоне горячей (5700 К) фотосферы пятна видны как темные области. Время их жизни — от нескольких дней до недель. Пятна чаще всего возникают «парными группами», магнитные поля одной группы имеет северную полярность, другой — южную. В самой темной части пятна — тени — поле максимально и направлено почти вертикально, вокруг — в полутени — поле менее сильное, линии его более «пологие». Часто пятна окружены более горячими активными областями — факелами. Количество пятен на Солнце изменяется с периодом в 11 лет; чем их больше, тем больше активность Солнца: именно пятна являются областями мощных солнечных вспышек.
«Исследованию солнечного магнетизма помогут два телескопа с полутораметровой апертурой, которые сооружают сейчас в Калифорнии и на Канарах, — продолжает Кейл. — Мы надеемся также, что в будущем году начнется строительство еще более совершенного четырехметрового телескопа для солнечных исследований. Мы с нетерпением ожидаем и запуска Solar Dynamics Observatory — тяжелого спутника, оснащенного приборами для всестороннего изучения солнечной атмосферы. Этот старт планируют на конец нынешнего или начало будущего года».
Солнце: строение, характеристики, интересные факты, фото, видео
Космос
Земная жизнь обязана своим происхождению небесному светилу. Оно греет и освещает всё находящееся на поверхности нашей планеты. Недаром поклонение Солнцу и представление его в качестве великого небесного бога нашло отражение в культах первобытных народов, населявших Землю.
Прошли века, тысячелетия, но важность его в жизни человека только возросла. Все мы – дети Солнца.
Что собой представляет Солнце?
Звезда из Галактики Млечный Путь, своей геометрической формой, представляющая огромный, раскалённый, газообразный шар, постоянно излучающий потоки энергии. Единственный источник света и тепла в нашей звёздно-планетарной системе. Сейчас Солнце пребывает в возрасте жёлтого карлика, согласно общепринятой классификации типов светил вселенной.
Сравнение Солнца и планет
Характеристики Солнца
Солнце обладает следующими параметрами:
- Возраст –4,57 миллиарда лет;
- Расстояние до Земли: 149 600 000 км
- Масса: 332 982 масс Земли (1,9891·10³⁰ кг);
- Средняя плотность – 1,41 г/см³ (она увеличивается в 100 раз от периферии к центру);
- Орбитальная скорость Солнца равна 217 км/с;
- Скорость вращения: 1,997 км/с
- Радиус: 695-696 тыс. км;
- Температура: от 5 778 К на поверхности до 15 700 000 К в ядре;
- Температура короны:
Из чего состоит Солнце?
По своему химическому составу наше светило ничем не отличается от других звёзд и содержит: 74,5% – водорода (от массы), 24,6% – гелия, менее 1% – иных веществ (азот, кислород, углерод, никель, железо, кремний, хром, магний и другие вещества). Внутри ядра идут беспрерывные ядерные реакции превращающие водород в гелий. Абсолютное большинство массы Солнечной системы – 99,87% принадлежит Солнцу.
Состав Солнца
Строение Солнца
Строение Солнца
В самом центре тела нашей звезды расположено ядро. Оно занимает четверть радиуса Солнца. Именно тут «бушуют» термоядерные реакции, порождая видимое нам излучение. Вследствие огромных размеров, плотность вещества внутри светила огромна – в 150 раз больше плотности воды.
Далее находится зона лучистого переноса, по которой хаотично движутся фотоны. Удивительно, что в среднем достигают они следующего слоя за 170 тысяч лет.
Конвективная зона – внешняя область Солнца, где движение плазмы происходит за счёт явления конвекции (тёплое устремляется наверх и остывает, холодное идёт вниз для нагревания). Между этими двумя областями располагается тонкий слой под названием «тахоклин» – область возникновения магнитного поля.
Солнечная атмосфера трёхслойная: хромосфера, переходная часть, корона. Видимая глазу поверхность глубиной несколько сотен километров, носит название – фотосфера.
Поверхность Солнца
Температура фотосферы колеблется в пределах: от 8000 К на глубине 300 км до 4000 К в самых верхних слоях. Скорость вращения составляющего её газа неравномерна. 24 дня в области экватора и 30 на полюсах. Красный цвет хромосферы можно различить только во время полного солнечного затмения.
Солнечные пятна, факелы и гранулы
Солнечная поверхность по уровню свечения неоднородна и имеет менее яркие области, называемые солнечными пятнами. Продолжительность существования, которых варьируется от нескольких дней до нескольких недель. Необходимо отметить, что есть пятна, превышающие диаметр Земли.
Солнечные пятна
Кроме того, на поверхности Солнца расположены:
- Факелы – участки повышенной яркости, – «родные братья» солнечных пятен, часто предшествующие или последующие их возникновению;
- Гранулы, размером примерно в тысячу километров, покрывающие собой всю фотосферу и различимые обычным глазом;
- Супергранулы, габаритами в 35 000 км, тоже целиком обволакивающие всю поверхность светила. Но проявляют они себя лишь с помощью физических эффектов.
Внутри Солнца
Согласно, гипотезы Ханса Бете, внутри Солнца постоянно происходят реакции превращения водорода в гелий с большим выделением тепловой энергии. Своего рода – действующая 5 млрд. лет, водородная бомба. С запасом ещё на такой же срок.
Три года назад учёные Даремского университета из Великобритании выдвинули гипотезу поглощения вещества тёмной материи нашим светилом. Якобы она служит переносчиком энергии внутри Солнца. Ответ на вопрос можно будет получить, проведя исследования на базе самого большого ускорителя – адронного коллайдера. Для этого необходимо иметь хотя бы частицу тёмной материи.
Солнечный ветер
Солнечный ветер
Это направленное от Солнца движение ионизированных частиц в сторону выхода за пределы нашей системы. Причиной возникновения столь интересного явления служит разность сил гравитации и давления верхних слоёв солнечной короны, не способная удержать поток ядерной плазмы в пределах нашей звезды (существует звёздный ветер других небесных светил). Скорость его может доходить до 1200 км/сек, а потоки пронизывать всё космическое пространство.
Первооткрывателем данного явления стал американский астрофизик Юджин Паркер. Но задолго до него ряд учёных делал предположения об излучение заряженных частиц с поверхности светила. В частности, Людвиг Бирманн из Германии сделал очень любопытное наблюдение хвостов комет. Оказывается, они всегда направлены в сторону от Солнца. Значит, испытывают на себе какое-то физическое воздействие.
Распространение солнечного ветра в космосе
С началом космической эры, гипотеза Паркера нашла своё подтверждение. Были проведены замеры потоков солнечного ветра со станций: «Луна-1», «Маринер-2». Даже был организован 4-х спутниковый эксперимент по замеру силы ударной волны (столкновение солнечного ветра с магнитосферой планеты). В процессе удалось получить уникальные научные данные с высокой точностью измерений.
Почему светит Солнце?
Немало философов и учёных пытались ответить на этот, вроде бы простой вопрос. Древнегреческий астроном Анаксагор за свою теорию раскалённого металлического шара умудрился попасть в тюрьму. Ясность наступила с началом XX-го века и открытием явления радиоактивности, а затем возможности проведения управляемой ядерной и термоядерной реакции.
Именно эти открытия приподняли завесу тайны происхождения самого распространённого явления природы. Английские учёные Эрнест Резерфорд и Артур Эддингтон первыми высказали предположение о протекании реакций термоядерного синтеза в глубинах нашего светила.
Благодаря этому, водород Солнца постепенно превращается в гелий, выпуская потоки фотонов, которые мы наблюдаем в качестве света.
Эрнест Резерфорд
Солнечное затмение
Такое событие, как затмение Солнца, всегда вызывало гамму чувств у невежественных людей, сопровождающихся ужасом и паникой. Находились и желающие «погреть на этом руки» и заработать авторитет предсказателей и ясновидцев. Но не только существа мыслящие, но и животные реагируют на появление темноты. Впрочем, в большинстве своём, воспринимая её как наступление ночи.
Солнечное затмение – схемы
Научное объяснение явлению простое: Луна закрывает Солнце. Происходит это только во время новолуния (примерное нахождение всех трёх небесных объектов на одной линии, да и то не всегда). Виды солнечных затмений с позиции земного наблюдателя:
- «Частное» – спутник закрывает светило частично.
- «Полное» – солнечный диск закрыт полностью.
- «Кольцеобразное» – конус отбрасываемой тени не достигает земной поверхности.
- «Полное кольцеобразное» или «гибридное» – два наблюдателя в разных точках одновременно видят один из видов солнечных затмений.
Наблюдение данного явления позволило совершить ряд важных открытий и рассмотреть корону и атмосферу Солнца. Что в обычных условиях, крайне затруднено. Кстати, само зрелище не балует землян частотой своего появления. Регулярность появления события составляет: 237-мь раз за век.
Как возникло Солнце?
Есть разные теории происхождения Солнца. Наиболее популярная из них утверждает, что светило сформировалось из газопылевого облака, возникшего в результате сверхновой звезды. В качестве доказательства приводится аргумент наличия большого количества урана и золото в центральном теле нашей звёздной системы.
Другая гипотеза прослеживает длинную цепочку превращений: комета с периферии Галактики -> ледяная планета -> планета-гигант -> инфракрасный карлик -> жёлтый карлик. Накапливая массу, Солнце под воздействием сил гравитации довело плотность ядра до запуска термоядерных реакций, и возможности удержания атмосферы. Причём притяжение огромного шара позволило не отпускать от себя даже лёгкие газы: водород и гелий. Правда с поверхности светила, они всё равно улетучиваются в космическое пространство.
Образование Солнечной системы
Существует несколько звёзд – аналогов Солнцу в созвездиях: Близнецов, Скорпиона, Гончих Псов, Корма, Дракона. Их светимость, температура, масса, плотность и примерный возраст совпадают с нашим светилом.
Жизненный цикл Солнца
По всей видимости, Солнце своим появлением обязано протозвёздам предыдущих поколений, так как в его составе содержится значительное количество металлов. Возраст его составляет 4,5 -4,75 млрд. лет, причём всё это время оно увеличивает свою яркость и температуру (разгорается).
Жизненный цикл звезд
Такой физический процесс не может идти без потери массы водорода, являющегося основным элементом в составе светила. Когда-нибудь это закончится, водород сгорит и улетучиться, а гелий начнёт сжиматься. Размеры светила станут увеличиваться вплоть до достижения пределов орбиты Земли. Солнце станет красным гигантом и будет находиться в таком состоянии предположительно 120 млн. лет. Затем возникнет туманность вследствие значительного уменьшения массы и гигантского расширения наружного слоя. Из красного гиганта оно превратится в белого карлика, который почернеет через несколько триллионов лет.
Расположение Солнца в галактике
Нам крупно повезло, так как Солнечная система расположена в обитаемой зоне галактики Млечный Путь, что способствует возникновению жизни по целому ряду причин. В нашей галактике имеются 4-е главные спиральные рукава. Вот на краю одного из них – рукаве Ориона и пребывает в настоящее время Солнце.
Движение Солнечной системы в нашей галактике
Это окраина, и расстояние от неё до центра составляет около 8-и тысяч парсеков (1 парсек = 3,2 световых года). Поэтому последние 4,5 млрд. лет мы живём достаточно спокойно, не подвергаясь галактическим катаклизмам.
Такими данными наука стала располагать благодаря исследованиям двух астрономов: Уильяма Гершеля и Харлоу Шепли. Последний смог создать детальную карту нашей галактики. Оказывается, Солнечная система вращается вокруг галактического центра, со скоростью более 200 км/сек. И успела за время своего существования обернуться вокруг него 30 раз.
Солнце и Земля
Влияние светила на нашу планету бесконечно огромно. И это не преувеличение. Земля вращается вокруг Солнца, как бы подставляя ему свои «бока», что обуславливает изменения времён года и переход день-ночь.
Вращение Земли вокруг Солнца
Мало того, за счёт излучаемого тепла и света возникла и продолжает существовать жизнь во всём многообразии. Ежегодно и «совершенно бесплатно» каждый квадратный километр поверхности Земли получает 342 Вт энергии. Стоит только посмотреть тариф, умножить эту цифру на количество часов в году, как сразу становится ясно, насколько мы богаты.
Но это лишь малая доля безмерных богатств нашей планеты, щедро одариваемой Солнцем. Именно под воздействием его лучей идёт беспрерывный рост растений, насыщение атмосферы столь необходимым для дыхания кислородом, бесконечная дезинфекция окружающей среды, и оздоровление человеческого организма.
Мы научились вырабатывать электроэнергию, используя ресурсы планеты, созданные опять же благодаря Солнцу. И можно быть абсолютно уверенными в том, что пользуясь его благами в ближайшие несколько миллиардов лет, человечество достигнет космических высот и вселенского уровня развития.
Солнце в мифологии
Культ яркого золотого диска, дарящего свет и тепло, был широко распространён по всему Земному шару в древности. Ему поклонялись, обожествляли, молились, делали бесконечные жертвоприношения. Солнце воспевали и славили.
Центральный бог целого ряда пантеонов древности – не что иное, как наше небесное светило. Не удивительно, что оно стало символом могущества, богатства, власти. А его земным олицетворением всегда было золото.
Солнце в мифологии превращали в живое существо, именно от него вели свой род древние цари и правители. Более того, земные жители испытывали невероятный страх и ужас перед Солнцем, всячески боясь его гнева и погасания. Древние народы Америки приносили жертвы, чтобы умилостивить верховное божество. А греки создали красивую космогоническую легенду о Фаэтоне.
И в наши дни проявляются отголоски былого: то вдруг появится сообщение о взрыве любимой звезды, то её пятна начнут разрастаться до небывалых размеров. Такие страхи невероятно живучи и устойчивы и часто попадают на «благодатную почву слепых верований» несведущих обывателей.
Если Вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
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.
Почему звезды светятся и откуда берется их энергия?
Где звезды берут энергию и чем “питается” Солнце?
За счет чего звезды расходуют такие чудовищные количества энергии? Чем “питается” само Солнце? Не смотря на гигантские размеры звезд, их энергия должна пополняться, ибо «вечного двигателя» в природе не существует.
Какой мощи должна быть эта энергия, что её хватает на миллиарды лет? Хороший вопрос, учитывая, что подсчитано: если бы Солнце состояло из лучшего угля, то, получай оно для этого в достаточном количестве кислород, полностью сгорело бы примерно за 1500 лет.
Некогда существовало мнение, что энергия Солнца поддерживается падением на него метеоритов. Их энергия превращается при падении в теплоту, поддерживающую излучение Солнца. Такой способ питания помог бы Солнцу не больше, чем нам, если бы мы вздумали вскипятить бочку воды, ставя на ее крышку горячие утюги.
Кроме того, метеоритов должно было бы сыпаться на Солнце невероятно много, и они так быстро увеличивали бы массу Солнца, что это было бы заметно.
Может быть, тогда, энергия Солнца пополняется за счет его сжатия, то есть постоянного уменьшения в размерах? Звучит логично, ведь при сжатии, энергия тяготения к центру переходила бы в энергию тепловую. Но и эта теория разбилась о математику.
Было вычислено, что даже если бы Солнце было некогда бесконечно большим, чем сейчас, то и в этом случае его сжатия до современного размера хватило бы на поддержание энергии всего лишь в течение 20 миллионов лет. Между тем доказано, что земная кора существует и освещается Солнцем гораздо дольше – как минимум 4,5 миллиарда лет. Сжатие может иметь и наверное имеет место, но не оно служит главным источником солнечной энергии.
Наше Солнце – громадный ядерный реактор и его топлива хватит ещё на 10 миллиардов лет
Тогда, возможно, недра звезд состоят из радиоактивных элементов, таких, как торий, уран и радий? Распадаясь, эти элементы выделяют теплоту.
Но, если бы Солнце целиком состояло из радия, то оно излучало бы… больше энергии, чем действительное Солнце! Тем более, что при большой начальной расточительности, неизбежной при радиоактивном распаде, интенсивность его излучения спадала бы слишком быстро. Радий не мог бы поддерживать наше Солнце так долго, как это необходимо. Допустить же существование тяжелых, сверх-радиоактивных элементов (неизвестных на Земле), да еще сгустившихся в недрах Солнца, современная физика и теория внутреннего строения звезд не позволяют.
Вас может заинтересовать
Ответ на этот вопрос дала людям ядерная физика.
Ядерные реакции в недрах звезд
Как известно, большую часть любой звезды составляет водород, а как известно из школьного курса химии, этот газ очень хорошо горит. Правда “звездное горение” водорода отличается от привычного нам, ведь кислорода там очень мало.
Горение — это химический процесс, то есть перетасовка атомов между молекулами. Но энергии химических реакций недостаточно для поддержания солнечного тепла. С другой стороны, при чудовищном жаре в недрах звезд существование молекул невозможно, они там распадаются. Там возможны только перетасовки тех составных частей, из которых образованы сложные системы, называемые ядрами атомов.
При температурах в миллионы градусов происходит распад не только атомов, но и их ядер и перетасовка продуктов распада, отчего образуются новые химические атомы с иными химическими свойствами. Такие перетасовки называются ядерными реакциями.
Физика ядерных реакций установила, что источником энергии в звездах, в том числе и в Солнце, является непрерывное образование атомов гелия за счет атомов водорода.
Известно, что атом гелия весит приблизительно в четыре раза больше, чем атом водорода. Однако мы не получим атом гелия, сложив попросту четыре атома водорода. Прежде чем материал четырех водородных атомов создаст атом гелия, должен произойти целый ряд чудесных превращений, напоминающих сказочные превращения оборотней, и непременными помощниками и толкачами в этих превращениях оказываются атомы углерода.
Но такие превращения не проходят безнаказанно: при этом выделяется и теряется энергия, а она имеет массу. Оттого-то масса атома гелия получается несколько меньше массы четырех атомов водорода. Так работает фабрика гелия в недрах гигантских звезд.
Как бы не были велики запасы солнечного водорода, они все-таки не бесконечны. Тревожиться на этот счет не стоит – при современной мощности излучения Солнцу хватит “топливо” ещё минимум на 10 миллиардов лет (при том, что само Солнце появилось примерно 5 миллиардов лет назад).
Что же происходит когда звезда начинает “стареть” и “выгорать”? Водород превращается в гелий, а гелий, вероятно, превращается в более тяжелые элементы; следовательно, химический состав Вселенной подвержен непрерывному изменению. Отсюда напрашивается и вывод – на заре зарождения нашей Вселенной, большая её часть состояла из водорода.
С течением времени доля тяжелых элементов по отношению к водороду увеличивается. Часть звездного вещества, обогащенная тяжелыми элементами, возвращается обратно в межзвездную газовую среду, может быть, в форме протуберанцев или более грандиозных взрывов, и поэтому сам межзвездный газ обогащается тяжелыми элементами. Однако даже в настоящее время атомов водорода в 2000 раз больше, чем атомов тяжелых элементов.
Это, как минимум, свидетельствует о том, что наша Вселенная ещё сравнительно молода и до её “старости” осталось не так уж мало времени.