Строение Солнца. Источники его энергии

Строение Солнца. Источники его энергии

Строение Солнца

Условие равновесия и температура в центре Солнца. Солнце - гигантская газовый шар. Каждый элемент ее массы М, находящейся на расстоянии г от центра, привлекаемого в направлении к центру. Казалось бы, под действием силы тяжести должен наступить коллапс - быстрое падение вещества в центр Солнца. Между тем Солнце существует около 5 млрд лет, и астрономы «предвещают» ему еще столько же в будущем. Почему это возможно? И. С. Шкловский, известный астроном советское время, очень образно выразился по этому поводу: «... История существования любой звезды - это действительно титаническая борьба между силой гравитации, которая пытается ее неограниченно сжать, и силой газового давления, пытающегося ее «распылить», рассеять в окружающей межзвездном пространстве. Миллионы и миллионы лет продолжается эта «борьба». На протяжении этих удивительно больших сроков силы равны. И в конце концов победа будет за гравитацией. Такая драма эволюции каждой звезды».

 

Действительно, если бы сила тяжести ничем не сбаласнирована, то вещество внешних слоев под действием гравитации уже через 5 минут свободно упала бы в центр Солнца. Противодействует силам гравитации сила газового давления, направленная от центра Солнца наружу. Состояние звезды (в данном случае Солнца), в котором внутреннее давление газа и излучения уравновешивает вес вещества, размещенной выше, называется состоянием гравитационного равновесия.
В условиях гравитационного равновесия температура Т внутри звезды радиусом R и массой M пропорциональна отношению M / R. Теоретические расчеты дают для Солнца температуру в центре около Тц «15 ООО 000 К. При такой температуре внутри давление противостоит силе тяготения. Плотность вещества в центре Солнца р = 100 г/см3, давление - около 220 млрд атмосфер.
Источники энергии Солнца. За последние 150 лет было высказано много гипотез относительно природы источников энергии Солнца и звезд. Наконец было выяснено, что реальное значение имеют лишь такие источники как гравитационное сжатие и термоядерный синтез.
По современным представлениям, звезды формируются из фрагментов газово-пылевых облаков. В центре такого облака возникает зародыш звезды, на который «пытается» упасть вся окружающая вещество. В процессе падения потенциальная энергия превращается в кинетическую, а та, в свою очередь, вследствие столкновений отдельных частиц превращается в тепловую энергию. И если сначала температура в упомянутом фрагменте была низкой, то с уменьшением радиуса будущей звезды температура в ее центре начинает расти.
Из теории следует, что во время гравитационного сжатия протозвезда излучает практически половину освобожденной потенциальной энергии в окружающее пространство. Вторая ее половина идет на нагрев вещества самой звезды. По современной светимости Солнца L = 3,85 • 10 * R Вт / с и значении его потенциальной энергии W0 - 5,9 • 10 Дж нетрудно подсчитать, что Солнце высветило бы половину этой энергии за 24 милл лет, и если бы не существовало других источников энергии, то оно уже давно прекратило бы свое существование. Поэтому гравитационное сжатие может быть источником энергии звезд лишь на относительно коротких этапах их развития.

В процессе сжатия протозвезды растет температура в ее центре, и через некоторое время она может достигнуть величины 10000000 К. При такой температуре начинаются термоядерные реакции превращения водорода в гелий. Первой и самой эффективной из реакций термоядерного синтеза в условиях Солнца является образование из четырех протонов ядра атома гелия.
Исключительно важным обстоятельством является то, что масса ядра гелия почти на 1% меньше массы четырех протонов. Эта потеря массы, называется дефектом массы, и является причиной выделения в результате ядерных реакций большого количества энергии. Ее величина, согласно формуле Эйнштейна, равна ДЕ - А ТС1. Энергия, выделяемая при образовании одного ядра гелия, равна 4,3 • 10 "Дж.

Реакции синтеза гелия и энерговыделения, которое их сопровождает, наиболее интенсивно происходят в центре Солнца, где температура и давление высокие. Они вообще могут протекать двумя путями.

Самым существенным в недрах Солнца является реакция протон протонного (р-р) цикла. Цикл начинается с крайне редкого события - превращение протона в нейтрон при его особенно тесном сближении с другим протоном; это событие называется Р-распадом протона, ибо при распаде образуется положительная Р-частица - позитрон Возникает вопрос: если в недрах Солнца происходят ядерные реакции, то что регулирует их скорость, чем Солнце не взрывается, как термоядерная бомба? Ответ скрывается в первой из трех реакций цикла. Вероятность того, что при сближении двух протонов один из них превратится в нейтрон (р -> п + е * + v), чрезвычайно мала. Это событие может произойти один раз на 14 млрд лет. За такое время число протонов в определенном объеме уменьшается вдвое. И только потому, что число протонов в Солнце чрезвычайно велико, этих реакций происходит достаточно для того, чтобы поддерживать необходимую для их прохождения температуру.

Во втором, углеродно-азотном цикле, также из четырех ядер водорода (протонов) образуется одно ядро ??гелия, но при этом углерод и азот играют роль катализаторов. Эта реакция значительно менее существенна в условиях Солнца, поскольку требует как большого содержания углерода, так и высокой температуры в его недрах.

Имея такой источник энергии как термоядерный синтез, Солнце может светить около 10 миллиардов лет.
3. Внутреннее строение Солнца. От центра Солнца и в отдалении (0,2-0,3) находится его ядро-зона, где сосредоточена половина солнечной массы и выделяется практически вся энергия, которая заставляет его светиться. Поскольку перенос энергии в ядре происходит не конвекцией, а пре-излучением квантов, такое состояние ядра называют лучистым.

В отдалении свыше 0,3 от центра температура и давление становятся меньше 5 млн К и 10 млрд атмосфер. При таких условиях ядерные реакции происходить не могут. Энергия, образованная в ядре, только передается дальше по пути поглощения у-квантов с больших глубин и последующего их пре-излучения. При этом вместо одного поглощенного в-кванта большой энергии атомы, как правило, последовательно излучают несколько квантов с меньшей энергией. Как следствие, жесткие у-кванты дробятся на менее энергичные, и в конце концов к фотосферы достаются кванты видимого и теплового излучения, которые окончательно и высвобождаются наружу.

Зона, в которой энергия переносится путем поглощения и последующего его переизлучения, называется зоной лучистой равновесия. Практически все недра Солнца находятся в состоянии лучистой равновесия.

Выше этого уровня растет непрозрачность вещества, и излучение, замкнутое под ее толщей, не успевает отводить все производимое «тепло». Поэтому в переносе энергии начинает участвовать само вещество, и непосредственно под фотосферой вдоль последних 0,2 образуется конвективная зона, где энергия переносится путем конвекции. Другими словами, приповерхностный слой Солнца «кипит», т.е. находится в состоянии конвективной равновесия. Одним из проявлений конвекции в фотосфере Солнца является грануляция.

По расчетам около 5% энергии, которая высвобождается в недрах Солнца, выносят нейтрино. С 1967 г. Исследователи пытаются зарегистрировать теоретически рассчитанной количество нейтрино с помощью нейтринных детекторов. Но и в наше время, когда уже получены нейтринные изображения Солнца, такого их количества, соответствующей теоретическим расчетам, не обнаружено. Возможно, это связанно с несовершенством методик регистрации нейтрино, а, может, в ближайшее время придется пересматривать наши представления о процессах, происходящих в недрах Солнца и о природе нейтрино.

В целом процесс передачи энергии от центральных областей до фотосферы очень медленный и длится миллионы лет.