Ядро астрономия определение кратко

Обновлено: 02.07.2024

Звездное ядро находится в центре, а именно в месте, где температура и давление достигают необходимой отметки, чтобы запустить ядерный синтез и трансформировать атомы водорода и в гелий. В этом процессе производится огромное количество тепла. Нижняя схема демонстрирует строение звезды с отображением размера ядра и остальных слоев.

Масса звезды влияет на размер ядра. В ширину Солнце простирается на 1391000 км, а ядро достигает 20% от радиуса (278000 км). Здесь температура накаляется до 15000000 Кельвинов. Только в этой точке происходит слияние (ядерный синтез).

Строение звезды в зависимости от ее размеров

Конечно, звезды отличаются по размерам, а значит, их ядра будут больше или меньше. У крупнейших представителей небесных тел температура ядра достигает 18 миллионов Кельвинов. Водород переплавляется в гелий, но уже через процесс, который называют циклом CNO. На рисунках можно изучить химический состав звезд, разделенный по слоям с процессами в ядре. Вы могли уже заметить, что звездный размер влияет на изменение химических элементов.

Элементы звездной кухни: От простого слияния водорода (1) в ядре звезды процесс проходит через различные стадии в оболочке и заканчивает созданием тяжелых элементов, вплоть до железа (4).

Маленькие звезды на небе способны поддерживать ядерный синтез, если их массивность достигает 7.5% солнечной. Иначе они станут коричневыми карликами.

Как образуется ядро?

Астрономы часто говорят, что любая звезда — это маленькая модель Вселенной. И недаром: процессы внутри и снаружи светил являются настоящим кладезем самых разнообразных физических процессов, которые существовали с первого дня возникновения нашего мира и двигали его вперед. Да и первыми объектами, возникшими после рождения Вселенной, были звезды-титаны галактических размеров.

Первые звезды во Вселенной в представлении художника

С тех пор вещество во Вселенной распределилось куда равномернее. Сейчас большинство звезд — включая и наше Солнце — образуются из космических туманностей, оставшихся после сверхновых старых звезд. Однако гравитационный принцип, собирающий материю вместе, остался неизменным.

Астероид, планета или звезда — на всех них действует принцип дифференциации (разделения) недр. Это одно из главных последствий гравитационных законов в космосе. В результате дифференциации, легкие элементы выталкиваются наружу, когда самые тяжелые движутся в центр тела. Образование из тяжелых веществ внутри космического тела и называется ядром.

Материалы по теме

Для запуска такого процесса нужно сперва набрать значительную массу — иначе силы гравитации просто не смогут начать разделение веществ. Имеет дифференциация недр и свои последствия.

Во-первых, тело разогревается (и чем массивней новообразованное ядро тем сильнее нагрев).
Во-вторых, объект принимает сферическую форму — в том числе шарообразным становится и ядро.

Плотность ядра во много раз выше консистенции окружающих его слоев — связано это не только с физическими свойствами составляющих ядро элементов, но и с гравитационным сжатием. Оно неминуемо для всех тел во Вселенной, чья масса несоразмерна с их объемом.

Строение разных звезд

Чем особенно ядро звезды?

Этот накал куда сильнее, чем нужно для обычной дифференциации гелия и водорода. Когда температура достигает около миллиона градусов Цельсия, водород в ядре вспыхивает — начинается термоядерная реакция по его преобразованию в гелий. Момент зажигания звезды считается начальной точкой ее существования.

Характеристики ядра

Гигантская масса и свободно протекающая ядерная реакция делают звездное ядро действительно уникальным объектом во Вселенной. Для наглядности примера возьмем наше Солнце — это рядовая звезда Главной последовательности. Рассказав о ней, мы расскажем о 90% обозримых звезд. А факты про ядро Солнца говорят сами за себя:

Солнце в разрезе

Именно протекание ядерного синтеза в звезде отличает ее от других дифференцированных объектов Вселенной. Более того — атомная реакция в ядре является главным звездным критерием. Коричневые карлики, причисляемые к звездам, технически ими не являются в первую очередь из-за ядра — преобразования водорода в гелий в нем почти отсутствует. Поэтому коричневые карлики светят тускло и быстро гаснут.

Что излучает ядро?

Ядерный синтез — очень мощный источник энергии. Температура в центре ядра Солнца достигает около 15 миллионов градусов Цельсия — но это не самое жаркое звездное ядро. Нагрев в центре голубых гигантов, самых горячих во Вселенной звезд, достигает и 100 миллионов градусов — именно настолько раскалено ядро звезды Джета в созвездии Кормы.

Материалы по теме

Кроме того, именно атомный синтез в ядре является основным источником света и тепла звезды — внешние слои только передают энергию, но не создают ее. Излучение также удерживает звезду от гравитационного коллапса — сила частиц света, направленная в космос, преодолевает силу сжатия гравитации.

Но для того чтобы пробиться сквозь силы притяжения и толщу звездного вещества, свет тратит десятки тысяч, а то и миллионы лет! У нашего Солнца этот срок колеблется около 200 тысяч лет. А гравитационная энергия, несмотря на всю свою силу, содержится только внутри звезды — и покинуть ее может только в виде сверхновой.

Модель противостояния давления частиц и гравитации

Примечание — существуют еще гравитационные волны, вместе с которыми гравитационная энергия покидает ядро звезды. Но их сила несоизмеримо мала.

Именно спектральный анализ позволил астрономам узнать о составе нашего Солнца и остальных звезд. Таким же образом было изучено множество удаленных объектов вроде планет и астероидов, материал которых сложно доставить на Землю.

Солнце является основным источником энергии для Земли и всей Солнечной системы. Без него жизнь на нашей планете была бы невозможна. Неслучайно у многих древнейших цивилизаций (например, у египтян) именно бог Солнца считался верховным божеством, которому все остальные Боги были подчинены. Однако современная наука может рассказать о нашем светиле значительно больше, чем древнеегипетские мифы. Какие процессы протекают внутри Солнца, какова история этой звезды, и какое будущее ожидает ее через миллиарды лет?

Общая характеристика

Солнце – это огромный разогретый шар из газа, чей диаметр оценивается в 1,392 млн км. Это в 109 раз больше диаметра нашей планеты. На звезду приходится 99,87% всей массы Солнечной системы.

С Земли кажется, что светило имеет желтый цвет, однако это иллюзия, связанная с влиянием атмосферы нашей планеты на солнечный свет. На самом деле Солнце излучает почти белый свет.

Солнце – это одна из сотен миллиардов звезд галактики Млечный путь. Ближайшая к Солнцу звезда – это Проксима Центавра, находящаяся от неё на расстоянии 4,24 световых лет. Для сравнения – расстояние от Земли до Солнца, принимаемое за астрономическую единицу (а.е.), солнечный свет проходит всего за 8,32 минут.

Влияние Солнца на окружающие небесные тела огромно. Солнечный ветер (частицы вещества, излучаемого звездой), доминируют в межпланетном пространстве на расстоянии до 100-150 а.е. от светила. Считается, что гравитация нашей звезды определяет орбиты тел, находящихся даже на расстоянии светового года от неё (в облаке Оорта).

Само Солнце также вращается вокруг своей оси. Так как оно состоит из газов, то разные его слои вращаются с разной угловой скоростью. Если в районе экватора период обращения составляет 25 дней, то на полюсах он увеличивается до 34 дней. Более того, последние исследования показывают, что внутренние области совершают оборот значительно быстрее, чем внешняя оболочка.

Таблица “Основные физические характеристики Солнца”

Внутреннее строение Солнца

Внутренняя структура нашей звезды включает следующие слои:

В центре светила располагается ядро. Именно в этой области идут термоядерные реакции. Радиус ядра оценивается в 150 тыс. км. Температура здесь не опускается ниже 13,5 млн градусов, а давление доходит до 200 млрд атм. Из-за этого вещество здесь находится в крайне плотном состоянии. Его плотность составляет 150 г/куб. см. Это в 7,5 раз выше плотности золота. Именно такие условия необходимы для протекания термоядерных реакций. Надо понимать, что именно в ядре вырабатывается энергия, которую и излучает Солнце. Все остальные области звезды лишь обогреваются ядром, но сами ее не вырабатывают.

Зона лучистого переноса

Зона конвективного переноса

Выше располагается зона конвективного переноса толщиной 200 тыс. км. Здесь плотность уже невысока, и вещество активно перемешивается – нагретые газы поднимаются наверх, отдают тепло, остывают и снова погружаются вниз. Скорость газовых потоков может достигать 6 км/с. Именно это движение порождает магнитное поле Солнца. Температура на поверхности падает до 6000° С, а плотность на три порядка ниже плотности земной атмосферы.

Атмосфера

Атмосфера Солнца состоит из следующих слоев:

Фотосфера

Нижний слой атмосферы называют фотосферой. Именно она излучает тот свет, который согревает планеты Солнечной системы. Толщина фотосферы колеблется от 100 до 400 км. На внешней границе фотосферы температура падает до 4700° С.

Хромосфера

Над фотосферой располагается хромосфера – слой толщиной около 2000 км. Её яркость очень мала, поэтому с Земли её можно наблюдать довольно сложно. Удобнее всего это делать во время солнечных затмений. Она имеет специфический красный оттенок. В хромосфере можно наблюдать спикулы – столбы плазмы, выбрасываемые из нижних слоев хромосферы. Время существования одной спикулы не превышает 10 минут, а длина доходит до 20 тыс. км. Одновременно в хромосфере находится около миллиона спикул. Интересно, что с увеличением высоты температура хромосферы не падает, а растет, и на верхней границе может доходить до 20 000° С.

Корона

Верхний слой атмосферы называется короной. Ее верхняя граница до сих пор четко не определена. Вещество в ней крайне разрежено, однако температура в ней может достигать нескольких миллионов градусов. На сегодня ученым не удалось полностью объяснить, за счет каких механизмов солнечная корона разогревается до такой температуры. В короне можно наблюдать протуберанцы – выбросы солнечного вещества, чья высота над поверхностью звезды может достигать 1,7 млн км.

Магнитное поле Солнца

У Солнца есть магнитное поле. Исследователи выделяют глобальное поле звезды и множество локальных полей.

В разных районах Солнца могут наблюдаться и малые, то есть локальные магнитные поля. Их напряженность может в тысячи раз превышать напряженность глобального поля, однако время их существования редко превышает несколько десятков дней. Особенно часто локальные поля наблюдаются в районе солнечных пятен. Дело в том, что эти пятна как раз и являются теми точками, через которые магнитные поля из внутренних областей выходят наружу.

Жизненный цикл Солнца

Возраст Солнца оценивается учеными в 4,5 млрд лет. Сформировалось оно из газопылевого облака, которое постепенно сжималось под действием собственной гравитации. Из этого же облака возникли планеты и почти все остальные объекты в Солнечной системе. Когда в центре сжимающегося облака плотность, а вместе с ней температура и давление выросли до критических значений, началась термоядерная реакция – так зажглось Солнце.

Постепенно из-за выгорания водорода ядро будет уменьшаться в размерах, а вся звезда в целом – увеличиваться. Через 6,4 млрд лет водород в ядре закончится, радиус звезды в этот момент будет больше современного в 1,59 раз. В течение 700 млн лет звезда расширится до 2,3 современных радиусов.

Далее рост температуры приведет к тому, что термоядерные реакции горения водорода запустятся уже не в ядре, а в оболочке звезды. Из-за этого она резко расширится, и ее внешние слои будут достигать современной земной орбиты. Однако к тому моменту светило потеряет значительную часть своей массы (28%), что позволит нашей планете перейти на более отдаленную орбиту. Солнце в этот период своей жизни, который продлится 10 млн лет, будет являться красным гигантом.

Из-за пульсаций, связанных с изменениями температуры Солнца, его внешние слои отделятся от ядра и образуют планетарную туманность. Само же ядро превратится в белый карлик – объект, чьи размеры будут сопоставимы размерами Земли, а масса будет равна половине современной солнечной массы. Далее этот карлик, состоящий из углерода и кислорода, будет постепенно остывать. Никаких термоядерных реакций в белом карлике идти не будет, поэтому со временем (за десятки млрд лет) он превратится в черный карлик – остывшую плотную массу вещества. На этом эволюция Солнца завершится.

Орбита и расположение Солнца в галактике Млечный путь

Солнце вместе со всей Солнечной системой вращается относительно центра Млечного пути, в котором располагается огромная черная дыра. Расстояние от нее до нашего светила составляет 26 тыс. св. лет. Один оборот Солнечная система совершает примерно за 225-250 млн лет. Скорость движения звезды относительно центра галактики составляет 225 км/с.

Исследование Солнца

Аристарх Самосский в III в. до н. э. первым предположил, что именно Земля вращается вокруг Солнца, а не наоборот. Но лишь во времена Коперника и Галилея эта теория была принята научным сообществом. Тогда же начались исследования Солнца с помощью телескопа. Галилей понял, что солнечные пятна – это часть светила. Изучая их, он понял, что звезда вращается вокруг своей оси, и даже смог определить период обращения.

В 1672 г. Д. Кассини смог достаточно точно рассчитать расстояние до светила. Для этого он определял положение Марса на небосводе в Париже и Кайенне (Южная Америка). Он получил значение в 140 млн км.

В XIX в. физики стали изучать спектр солнечного света. Этот метод позволял определить химический состав звезды. В 1868 г. было обнаружено, что в состав светила входит элемент, до того неизвестный человечеству. Его назвали гелием.

Большой загадкой для ученых оставалась природа энергии, излучаемой Солнцем. Выдвигались ошибочные версии, что звезда нагревается за счет падения на нее метеоритов или за счет гравитационного сжатия. Лишь с открытием ядерных реакций физики смогли предположить, что источник солнечного тепла – это термоядерный синтез.

Интересные факты о Солнце

Для любого объекта, излучающего тепло, можно посчитать отношение мощности к его объему. Оказывается, что удельная мощность Солнца примерно в тысячу раз меньше, чем удельная мощность человеческого организма! Это означает, что огромный объем выделяемого светилом тепла в первую очередь объясняется его гигантскими размерами.

Периодически всплески солнечной активности приводят к геомагнитным бурям. Мощнейшая из них произошла в 1859 г. В результате на Земле перестала работать телеграфная связь, а северное сияние наблюдалось даже над Кубой.

Сейчас общепризнанна теория, что Солнце образовалось из газопылевого облака. Однако откуда появилось само облако? Ученые предполагают, что оно является остатком предыдущих звезд. Химический анализ показывает, что Солнце является звездой уже третьего поколения. Это значит, что вещество, из которого состоит светило, ранее входило в состав двух других звезд, уже прекративших существование.

Хотя большинство планет вращаются вокруг Солнца в плоскости эклиптики, экватор самой звезды не совпадает с этой плоскостью, а наклонен на 7°. Эту аномалию до сих пор не удалось объяснить. Возможно, причиной этого является существование ещё одной планеты в Солнечной системе, чья орбита лежит не в плоскости эклиптики, а под углом к ней. Ряд наблюдений подтверждает существование Девятой планеты, но пока что говорить об ее открытии преждевременно.

Мы часто смотрим в небо и размышляем о том, как устроен космос. Мы читаем о космонавтах и спутниках. И кажется, что все загадки, неразгаданные человеком, находятся там — за пределами земного шара. На самом деле, мы живем на планете, полной удивительных тайн. И мечтаем о космосе, не задумываясь, как сложно и интересно устроена наша Земля.

Внутреннее строение Земли

Планета Земля состоит из трех основных слоев: земной коры, мантии и ядра. Можно сравнить земной шар с яйцом. Тогда яичная скорлупа будет представлять собой земную кору, яичный белок — мантию, а желток — ядро.

Земная кора

Земная кора — это каменная оболочка, которая покрывает всю поверхность нашей планеты. Под океанами ее толщина не превышает 15-ти километров, а на материках — 75-ти. Если вернуться к аналогии с яйцом, то земная кора по отношению ко всей планете тоньше, чем яичная скорлупа. На долю этого слоя Земли приходится всего 5% объема и менее 1% массы всей планеты.

В составе земной коры ученые обнаружили оксиды кремния, щелочных металлов, алюминия и железа. Кора под океанами состоит из осадочного и базальтового слоев, она тяжелее континентальной (материковой). В то время как оболочка, покрывающая континентальную часть планеты, имеет более сложное строение.

Выделяют три слоя континентальной земной коры:

осадочный (10-15 км в основном осадочных пород);

гранитный (5-15 км метаморфических пород, по свойствам схожих с гранитом);

базальтовый (10-35 км магматических пород).

Мантия

Под мантией, словно под покрывалом, располагается земное ядро. Оно находится в 2900 км от поверхности планеты. Ядро имеет форму шара радиусом около 3500 км. Поскольку людям еще не удалось добраться до ядра Земли, о его составе ученые строят догадки. Предположительно, ядро состоит из железа с примесью других элементов. Это самая плотная и тяжелая часть планеты. На нее приходится всего 15% объема Земли и аж 35% массы.

Считается, что ядро состоит из двух слоев — твердого внутреннего ядра (радиусом около 1300 км) и жидкого внешнего (около 2200 км). Внутреннее ядро словно бы плавает во внешнем жидком слое. Из-за этого плавного движения вокруг Земли образуется ее магнитное поле (именно оно защищает планету от опасных космических излучений, и на него реагирует стрелка компаса). Ядро — самая горячая часть нашей планеты. Долгое время считалось, что температура его достигает, предположительно, 4000-5000°C. Однако в 2013 году ученые провели лабораторный эксперимент, в ходе которого определили температуру плавления железа, которое, вероятно, входит в состав внутреннего земного ядра. Так выяснилось, что температура между внутренним твердым и внешним жидким ядром равна температуре поверхности Солнца, то есть около 6000 °C.

Строение нашей планеты — одна из множества неразгаданных человечеством тайн. Большая часть информации о нем получена косвенными методами, еще ни одному ученому не удалось добыть образцы земного ядра. Изучение строения и состава Земли по-прежнему сопряжено с непреодолимыми трудностями, но исследователи не сдаются и ищут новые способы добыть достоверные сведения о планете Земля.

Методические рекомендации

Читайте также: