Перенос энергии к поверхности Солнца

Дата: 16.10.2020

Группа: ПИ-115

Дисциплина: Астрономия

Тема: 23-24

Урок: Строения Солнце и солнечной атмосферы

Оплатить абонементот 150 руб. в месяц

Солнце – ближайшая к нам звезда. Внутреннее строение

Что мы увидим на небе, в большей степени зависит от Солнца – для Земли это основной источник освещения. Ночью, когда Солнца не видно, становятся видны другие источники света – звезды (поэтому иногда метафорически говорят: «Из-за Солнца не видно звезд»). Речь идет именно об источниках в том смысле, что они излучают, а не отражают свет, поэтому Луна и планеты не в счет.

Естественно, мы разделяем Солнце и звезды. Но оказывается, они имеют похожую природу. Солнце – это такая же звезда, как остальные, только для нас она выделяется тем, что находится ближе других звезд. Так что объединяющее выражение «Солнце и другие звезды» тоже будет правильным. И это замечательно, что у нас сравнительно близко есть «образец», на примере которого мы можем разобраться со свойствами звезд, которые от нас очень далеко.

Среди видимых звезд Солнце не обладает уникальными характеристиками. По размеру, расстоянию от центра галактики, по массе, составу, возрасту и т. п. это скорее средняя звезда.

Если вам понадобится какая-то из основных характеристик Солнца, вы всегда можете найти ее в справочниках. Некоторые характеристики вы видите в таблице 1. Размеры и масса для наглядности приведены в сравнении с Землей, с остальными числами можно разобраться, и мы о них будем говорить дальше. Обратите внимание: период обращения указан с пометкой «на экваторе». Солнце – газовый шар, и в этом случае на экваторе и ближе к полюсам возможна разница в скоростях вращения.

Табл. 1. Основные характеристики Солнца

Каково внутреннее строение Солнца?

Есть слой толщиной 200–300 км, который мы можем видеть. Видимую поверхность Солнца назвали фотосферой (рис. 1). Ниже плотность газа настолько велика, что он непрозрачен. Свойства солнечной атмосферы выше фотосферы можно изучать различными методами, но о том, что происходит ниже, ученые узнают только по результатам математического моделирования.

Рис. 1. Строение Солнца

В фотосфере Солнца плотность приблизительна такая, как в атмосфере Земли (рис. 2). Глубже давление, плотность и температура вещества возрастают, и в центре Солнца плотность в 160 раз больше плотности воды (а ведь там в основном водород и гелий!). На рис. 2 вы видите, как изменяется плотность и температура с глубиной.

Рис. 2ю Плотность и температура во внутренних слоях Солнца

В отличие от газовых гигантов Солнечной системы, Юпитера и Сатурна, которые внутри жидкие, Солнце всюду можно описать моделью газа, т. к. при температурах в миллионы кельвинов разрушаются любые молекулярные связи и все атомы свободно движутся. Газ на Солнце ионизирован, т. е. является плазмой.

Солнце является стабильной звездой, оно не сжимается и не расширяется. Это означает, что гравитационные силы, стремящиеся сжать эту звезду, уравновешиваются давлением внутри нее.

Если бы температура внутри Солнца была меньше 15 миллионов К (рис. 4), давление внутри него не смогло бы предотвратить гравитационный коллапс.

Кроме того, изучая физическую историю Земли, ученые видят, что мощность излучения Солнца практически не менялась в течение миллиардов лет. Из этого следует, что внутри Солнца имеется источник энергии. Обеспечить мощность солнечного излучения ( ) в течение миллиардов лет может только термоядерный синтез, который, как и у других звезд, происходит в ядре (центральной области) светила (рис. 3). Тепло (то есть энергия), как мы знаем из термодинамики, передается от горячего центра к менее нагретой поверхности (фотосфере).

Вблизи ядра передача энергии происходит фотонами через зону лучистого переноса (рис. 3). Далее к поверхности энергия передается конвекцией, огромные (в сотни километров) «пузыри» горячего газа поднимаются к поверхности, где охлаждаются и вновь погружаются вниз.

Почему есть разные зоны с разными механизмами переноса – об этом подробнее в ответвлении.

Перенос энергии к поверхности Солнца

Зону, где происходят ядерные реакции, выделили как ядро, и выше его границы начинается зона лучистого переноса. Почему здесь преобладает этот механизм передачи энергии?

Распространение излучения, которое происходит в прозрачных средах, здесь невозможно, потому что при такой плотности и при таком сжатии газа он не пропускает свет. Конвекция в этой зоне тоже невозможна, так как водород здесь сжат настолько плотно, что атомы не могут меняться местами, вещество не может перемешиваться (а это необходимое условие для конвекции). К тому же для конвекции нужна разность температур, которая в зоне лучистого переноса недостаточна: сжатый ионизированный водород обладает высокой теплопроводностью. Поэтому испускаемым квантам энергии некуда больше деться, кроме как поглотиться соседними атомами. Возбужденное состояние атома нестабильно, поэтому он переизлучает энергию – так она распространяется. Медленно, но более быстрые механизмы здесь невозможны.

Что же меняется ближе к поверхности Солнца? На некоторой глубине давление и плотность вещества становятся достаточными, чтобы вещество могло смешиваться, атомы уже не так сильно прижаты друг к другу. Это и считается границей зоны лучистого переноса. Хотя переизлучение энергии от атома к атому никуда не исчезает, энергия намного быстрее передается посредством конвекции, здесь она становится основным механизмом, поэтому эту зону и назвали зоной конвекции. Для прямого излучения вещество по-прежнему непрозрачно.

Ту область, еще ближе к поверхности, где становится возможно распространение излучения, где фотоны как бы «вырываются на свободу» из непрозрачного вещества, назвали фотосферой.

Казалось бы, в зоне лучистого переноса энергия движется быстрее (со скоростью света), чем в конвективной зоне. Но это не так, в зоне лучистого переноса, где очень велика плотность, в частности оптическая, фотон может пройти лишь расстояние порядка сантиметра, он затем поглощается атомом и излучается, возможно, в другом направлении и с другой частотой. И опять, пройдя сантиметр, поглощается и излучается и так далее, т. е. фотон движется как человек в толпе. Фотоны мы привыкли ассоциировать с видимым излучением, поэтому правильнее говорить, что движется квант энергии: в ядре образуются высокоэнергичные γ-кванты, а фотосферы достигают фотоны, с меньшей энергией. Путь от ядра до фотосферы энергия проходит, по разным оценкам, от сотен тысяч до десятков миллионов лет! Свет, который поступает к нам сейчас, мог зародиться в центре Солнца до возникновения человека как вида.

Конвективная зона толщиной около 200 000 км доступна для наблюдения со стороны фотосферы, мы видим поверхность непрозрачного вещества, вот как она выглядит в телескопе (рис. 5).

Рис. 5 – Видимая поверхность Солнца

Фотосфера при большом увеличении выглядит гранулированной, на рис. 5 вы можете оценить размеры этих гранул.

Светлые гранулы – это и есть верхушки восходящих потоков, горячие газовые «пузыри», поднимающиеся из глубины Солнца. Темные участки – это «охладившийся» газ, погружающийся внутрь. Процесс появления и исчезновения гранулы длится 5–10 минут.

С тем, как энергия распространяется, разобрались, но откуда она берется? Обсудим источник солнечной энергии.

Производство энергии на Солнце происходит за счет превращения водорода в гелий в процессе, который называется ядерным синтезом – слиянием двух или более ядер в одно более тяжелое ядро.

Чтобы два ядра водорода (два протона) могли слиться, они должны сблизиться на расстояния порядка их размера (10^-15м), но уже на расстоянии, в 10 раз большем (10^-14 м), сила электростатического отталкивания протонов равна 2 Н – для протонов с их мизерной массой это огромная сила. Поэтому сблизиться настолько, чтобы попасть в область действия сильного взаимодействия (это оно удерживает протоны и нейтроны в ядрах), могут только протоны, имеющие огромную скорость. Это то условие, которое трудно обеспечить в промышленных масштабах, чтобы осуществить контролируемую реакцию. В центре же большинства звезд температура 10–20 млн K, при такой температуре средняя скорость частиц составляет сотни километров в секунду и самые энергичные из них могут преодолеть электростатическое отталкивание.

Если масса полученного в реакции синтеза тяжелого ядра меньше суммы масс сливающихся ядер на величину , то в результате реакции синтеза выделится энергия . Реакцию превращения водорода в гелий в общем виде можно записать так: . С реакцией, расписанной поэтапно, вы можете ознакомиться в ответвлении.

Этапы синтеза гелия

Из четырех ядер водорода (то есть протонов) образуется ядро гелия, которое состоит из двух протонов и двух нейтронов. То есть должны связаться четыре частицы, при этом два протона должны преобразоваться в нейтроны. Понятно, что, скорее всего, это должно происходить поэтапно.

Так и есть, на рис. 6 приведена схема, на которой эти этапы видны.

Рис. 6. Этапы синтеза гелия

Сначала происходит слияние двух протонов, которые образуют ядро дейтерия (изотопа водорода), этот процесс обозначен буквой А на рис. 6. При этом испускается позитрон, который быстро аннигилирует с электроном с выделением энергии (рис. 6, B). На следующем этапе (рис. 6, C) образовавшееся ядро поглощает еще один протон, образуя ядро гелия-3. А при столкновении двух таких ядер (рис. 6, D) образуется стабильное ядро гелия-4 с выделением двух протонов, готовых участвовать в следующих реакциях:

Звезды типа Солнца каждую секунду теряют миллионы тонн своей массы. Энергия, соответствующая этой массе, уносится квантами излучения и нейтрино. При этом сотни миллионов тонн водорода ежесекундно превращаются в гелий. Солнце каждую секунду теряет 4 млн тонн своей массы, что эквивалентно взрыву миллиарда 100-мегатонных водородных бомб в секунду!

Скорость превращения водорода в гелий определяют по количеству испускаемых Солнцем нейтрино. Подсчет числа солнечных нейтрино очень труден, так как они не имеют заряда, их масса ничтожна (еще даже не измерена), а проникающая способность не имеет себе равных. Нейтрино проходят, почти не поглощаясь, 700 000 км внутри Солнца, насквозь всю Землю; не принося нам никакого вреда, круглые сутки пролетают сквозь наши тела (и ночью тоже, ведь Землей мы от них не «заслоняемся»). Аналогично они проходят через любые детекторы частиц. Только мизерная часть достигших Земли нейтрино фиксируется детекторами в специальных измерительных устройствах, которые размещают глубоко под водой или в глубоких шахтах. На такие большие глубины не могут проникать другие частицы, поэтому все, что там фиксируется, – это нейтрино.

В звездах, имеющих в центре более высокую температуру, чем Солнце, могут идти и другие реакции синтеза, например слияние ядер гелия в ядра углерода. В самых горячих звездах может происходить даже синтез ядер железа, а более тяжелые элементы образуются только при взрывах массивных звезд.

Внешние слои Солнца

Естественно, у газового шара не может быть строгой границы и четкой поверхности. Над фотосферой, которую мы уже обсудили, располагается область, которую назвали внешней атмосферой (рис. 7) по аналогии с газовой оболочкой планет.

Газ над фотосферой прозрачен для света. В солнечной атмосфере выделяют два слоя: нижний, толщиной в несколько тысяч км, – хромосфера; верхний, простирающийся на десятки радиусов Солнца, – корона. Эти слои видны при полном солнечном затмении. Хромосфера (chromo – греч. «цвет») видна как кольцо красного цвета вокруг Солнца. Цвет в основном определяется яркой красной линией водорода (656 нм) в спектре излучения. По этому спектру было определено, что температура хромосферы меняется от 2500 K на уровне фотосферы до 50 000 K на высоте 2000 км.

Рис. 7. Солнечная атмосфера

Выше 2000 км начинается корона. Спектр излучения короны отличается, в нем нет спектральных линий водорода и других элементов, встречающихся в спектрах фотосферы и хромосферы. Зато в спектре короны обнаружены линии лишенных многих электронов атомов железа, никеля и др. Чтобы так «раздеть» атомы от электронов, температура короны должна достигать 1–2 млн K. Именно такая температура в солнечной короне. Причина резкого повышения температуры атмосферы, начиная с высоты 2000 км, точно не известна, но все предлагаемые гипотезы считают, что это определяется действием магнитного поля Солнца на ионизированный газ (плазму). Плотность газа в короне очень низка, и поэтому суммарная энергия содержащихся там атомов сравнительно невелика. В основании короны содержит всего атомов, сравните с в фотосфере Солнца и с в атмосфере Земли на уровне моря.

Как и на Земле, магнитное поле Солнца возникает за счет вращения электропроводящего материала во внутренней его части. С тем отличием, что в Земле это расплавленное железо, а в Солнце – ионизированный газ. В магнитном поле заряженные частицы движутся по спирали вокруг силовых линий магнитной индукции. Почему заряженные частицы именно так движутся в магнитном поле? Ответить на этот вопрос вы сможете, вспомнив уроки физики, на которых мы изучали действие магнитного поля на движущиеся частицы с силой Лоренца.

Солнечная атмосфера производит поток заряженных частиц, в основном протонов (ядер водорода) и электронов, который называют солнечным ветром. Частицы движутся со скоростью порядка 400 км/с. Солнечный ветер возникает потому, что при высокой температуре в короне атомы газов движутся со скоростями, большими первой космической скорости для Солнца, т. е. гравитация не может их удержать. Солнечный ветер был открыт по его действию на хвосты комет. На предыдущих уроках мы рассматривали, что он отклоняет газовые кометные хвосты в направлении от Солнца. Газ солнечного ветра очень разрежен, но, поскольку поверхность Солнца огромна, солнечный ветер уносит 10 миллионов тонн вещества в год. Хотя, конечно, по сравнению с массой Солнца это совсем немного.

На Земле солнечный ветер вызывает полярные сияния (рис. 8), заряженные частицы космического излучения направляются магнитным полем в области магнитных полюсов.

Рис. 8. Образование полярных сияний

Разные слои Солнца, в частности внешние, постоянно пребывают в динамике: там распространяется энергия, происходит смешивание вещества, протекают потоки. Естественно, могут возникать неоднородности и нарушения динамического равновесия. Мы их видим как солнечные пятна, протуберанцы и вспышки.

Солнечное пятно (рис. 9) – это большая темная область фотосферы, которая сохраняется в течение нескольких дней. Наблюдения движения темных пятен доказали вращение Солнца вокруг собственной оси и различие периодов вращения на экваторе и вблизи полюсов Солнца. Температура солнечного пятна порядка 4500 K, и оно кажется темным только в сравнении с обычными участками фотосферы, где температура 6000 K. Считается, что снижение температуры в темном пятне вызывается резкой флуктуацией магнитного поля (оно становится в тысячи раз мощнее), которая локально препятствует нормальной конвекции – поднятию раскаленного газа к поверхности.

Рис. 9. Солнечное пятно

Резкое повышение напряженности магнитного поля (как в области солнечного пятна) может объясняться циклонами на Солнце (рис. 10), подобными циклонам в земной атмосфере. Солнечный циклон затягивает газ, а в него вморожено магнитное поле (что значит этот термин – подробнее в ответвлении). Таким образом, при затягивании газа в циклон в центре циклона магнитное поле увеличивается, что охлаждает газ и увеличивает силу циклона и т. д. по нарастающей.

Солнечные пятна часто возникают парами (рис. 10). В этом случае магнитные поля в них имеют разную полярность и магнитные силовые линии образуют арку: выходя из одного пятна, уходят вглубь Солнца в другом пятне.

Рис. 10. Магнитные петли в атмосфере Солнца

Дата добавления: 2020-11-23; просмотров: 124; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!