Откуда солнце берет энергию кратко

Обновлено: 05.07.2024

Каждые 1,5 миллионных доли секунды Солнце выделяет больше энергии, чем все люди потребляют за целый год. Без Солнца не было бы ни света, ни тепла, ни жизни.

Его тепло влияет на окружающую среду всех планет, карликовых планет, лун, астероидов и комет в нашей Солнечной системе.

Как большой шар водорода создает все это тепло? Короткий ответ заключается в том, что он большой. Если бы он был меньше, то был бы просто сферой водорода, как Юпитер.

Но Солнце гораздо больше Юпитера. Потребовалось бы почти 1000 Юпитеров, чтобы заполнить его!

Это очень много водорода. Это означает, что они удерживаются вместе под действием огромной силы тяжести. А ЭТО означает, что внутри него существует огромное давление.

На самом деле давление настолько велико, а плотность настолько велика, что атомы водорода сталкиваются с достаточной силой, чтобы буквально слиться в новый элемент—гелий.

Этот процесс, называемый ядерным синтезом, высвобождает энергию, создавая цепную реакцию, которая позволяет ей происходить снова и снова.

Эта энергия накапливается. В ядре солнца температура достигает 27 миллионов градусов по Фаренгейту. Энергия распространяется наружу через большую область, называемую конвективной зоной. Затем он перемещается в фотосферу, где испускает тепло, заряженные частицы и свет.

Это тепло приводит в действие химические реакции, которые делают возможной жизнь на Земле, позволяет газам и жидкостям существовать на многих планетах и лунах и заставляет ледяные кометы образовывать огненные ореолы.

Эти частицы создают "солнечный ветер", который толкает ткань межзвездного пространства на миллиарды миль.

Долгое время оставалось непонятным, откуда Солнце берёт энергию. Какие только гипотезы не выдвигались! И бомбардировка метеоритами, и сжатие в результате гравитации… Все эти версии отводили очень короткий срок жизни нашей звезде. И только один британский физик догадался, что энергия Солнца — результат ядерных реакций.

Им оказался Эрнест Резерфорд. Правда, он считал, что внутри звезды происходит радиоактивный распад. Но уже в 1920‑х годах благодаря работам британского же астрофизика Артура Эддингтона стало очевидно, что в недрах Солнца и других звёзд идёт не распад, а обратный процесс — синтез ядер. Постепенно стало понятно и как эволюционировали звёзды.

Кстати, именно понимание процессов, происходящих в недрах Солнца, поставило современную физику перед загадкой, которую не могли разрешить треть века и которая привела к фундаментальным открытиям и Нобелевской премии.

Реакция ядерного синтеза. При столкновении четырёх атомов водорода в недрах Солнца образуются гелий, излучение и энергия

В ходе ядерных реакций внутри Солнца, согласно всем моделям, должно рождаться огромное количество нейтрино — частиц, которые то ли имеют массу покоя, то ли не имеют и, что точно, очень слабо взаимодействуют с веществом. Тем не менее их можно зарегистрировать и разделить на типы: электронные, мюонные и тау-нейтрино. Так вот, на Солнце должны были образовываться электронные нейтрино, в строго определённом количестве. Однако то, что фиксировали учёные, было примерно в три раза меньше. В чём же дело?

В принципе, ещё в 1957 году советско-итальянский физик Бруно Понтекорво предположил, что нейтрино могут превращаться друг в друга. Это гипотетическое явление назвали нейтринными осцилляциями. Полвека спустя японец Такааки Кадзита и канадец Артур Макдональд смогли экспериментально подтвердить эту гипотезу, одним махом разрешив парадокс дефицита солнечных нейтрино. Оказывается, за те минуты, что они летят к Земле, часть электронных нейтрино превращается в нейтрино другого вида, доказывая тем самым, что у них есть масса. Открытие было удостоено Нобелевской премии по физике 2015 года.

Колоссальный выброс коронарной массы, произошедший 8 января 2002 года, запечатлён аппаратом SOHO. Это композитное изображение: корона и фотосфера сняты отдельно.

Солнце очень активно за счёт возмущений магнитного поля, которое постоянно испускает поток заряженных частиц, именуемый солнечным ветром. Но иногда случаются резкие возмущения, которые приводят к мощным выбросам вещества. Так появляются протуберанцы и возникают вспышки. Достигнув Земли, солнечное вещество начинает взаимодействовать с магнитным полем планеты, что приводит к геомагнитным бурям и полярным сияниям.

Часто говорят, что магнитная буря вызывает проблемы со здоровьем, особенно у людей с сердечно-сосудистыми заболеваниями. Однако современная доказательная медицина отрицает подобное влияние.

Действительно, если бы колебания магнитного поля в сотни нанотесла, которыми характеризуются даже самые сильные бури, влияли на наше здоровье, страшно подумать, что происходило бы с нами в трубе томографа, где магнитное поле в тысячи раз больше.

Магнитное поле защищает Землю от космических излучений

Последствия солнечных бурь

Кстати, именно активность Солнца — главный фактор, препятствующий полёту на Марс. Путь туда неблизкий, а экипаж, в отличие от космонавтов на МКС, не защищён магнитным полем Земли,— радиация может убить прямо в дороге.

Эта статья была опубликована в журнале OYLA №2(30). Оформить подписку на печатную и онлайн-версию можно здесь.

Как производится солнечная энергия? Солнечная энергия появляется в результате превращения водорода в гелий путем реакции ядерного синтеза в центральной части нашей звезды. Это означает, что имеющиеся в ядре в огромном количестве атомы водорода максимально сближаются и затем сливаются в атомы гелия. Полученная энергия Солнца затем излучается из ядра и передается в межзвездное пространство Солнечной системы. Конечно, это не исчерпывающий ответ на вопрос, поэтому ниже более подробно описано, как именно энергия передается от ядра Солнца к Земле и другим объектам в Солнечной системе.

Процесс ядерного синтеза в ядре Солнца

Ядро Солнца простирается от центра звезды до четверти ее радиуса. Оно имеет плотность около 150 г/см3, а температура его вещества близка к 13 600 000 К. Энергия, производимая в результате ядерного синтеза, получается в ходе серии протон-протонных циклов превращения водорода в гелий. Ядро является единственной частью Солнца, которая производит значительное количество энергии посредством синтеза (почти 99%).

Остальная часть звезды нагревается солнечной энергией, которая передается из центра. Прежде чем уйти в космическое пространство в виде кинетической энергии (в данном случае, в виде солнечных лучей), энергия проходит через множество слоев к солнечной фотосфере. Протон-протонные циклы происходят около 9,2 × 10 37 раз в секунду. Реакция превращения водорода в гелий высвобождает около 0,7% синтезированной массы в виде энергии, и это составляет около 4,26 млн тонн в секунду.

Следующая зона – зона излучения Солнца. Здесь плазма достаточно плотная и горячая, чтобы тепловое излучение могло передаваться от слоя к слою, и тепловая конвекция отсутствует. Температура вещества падает по мере удаления от центра. Градиент температуры меньше адиабатического градиента, поэтому конвекция здесь физически невозможна. Тепло передается фотонами, испускаемыми ионами гелия и водорода, которые проходят небольшое расстояние и опять поглощаются.

Далее идет солнечная зона конвекции. Здесь солнечная плазма недостаточно плотная и горячая для передачи внутреннего тепла путем излучения. Конвекция происходит путем переноса слоев, несущих горячее вещество, наружу – в фотосферу. Как только плазма остывает в фотосфере, она обратно погружается во внутреннюю часть зоны конвекции и нагревается от наружной части зоны излучения. На поверхности Солнца температура плазмы снижается до 5 700 К. Турбулентная конвекция этого слоя вызывает эффект, который приводит к появлению магнитных полюсов по всей поверхности звезды

Наконец, в фотосфере появляется солнечный свет, который может свободно распространяются (перемещаться) по межзвездному пространству. Эта энергия излучается на поверхность или в атмосферу тел Солнечной системы. Атмосфера Земли фильтрует часть ультрафиолетовых лучей, но определенное количество этой энергии все же достигает земной поверхности, затем отражается от нее обратно в атмосферу. После такого рикошета Земля поглощает часть энергии, и наша планета нагревается. Технологический прогресс позволил создать солнечные батареи, позволяющие использовать естественную солнечную энергию в бытовых целях.

Есть одна причина, по которой Земля является единственным местом в Солнечной системе, где существует и процветает жизнь. Конечно, ученые подозревают, что под ледяной поверхностью Европы или Энцелада может тоже существовать микробная или даже водная форма жизни, также ее могут найти и в метановых озерах Титана. Но до поры до времени Земля остается единственным местом, которое обладает всеми необходимыми условиями для существования жизни.

Ответ начинается с того, что Солнце, как и все звезды, может вырабатывать энергию, поскольку является, по сути, массивным термоядерным реактором. Ученые считают, что оно началось с огромного облака газа и частиц (т. е. туманности), которое коллапсировало под силой собственной тяжести — это так называемая теория туманности. В этом процессе родился не только большой шар света в центре нашей Солнечной системы, но и водород, собранный в этом центре, начал синтезироваться с образованием солнечной энергии.

Технически известный как ядерный синтез, этот процесс высвобождает огромное количество энергии в виде тепла и света. Но на пути из центра Солнца к планете Земля эта энергия проходит через ряд важных этапов. В конце концов, все сводится к слоям Солнца, и роль каждого из них играет важную роль в процессе обеспечения нашей планеты важнейшей для жизни энергией.

Ядро Солнца — это область, которая простирается от центра до 20-25% радиуса светила. Именно здесь, в ядре, производится энергия, порождаемая преобразованием атомов водорода (H) в молекулы гелия (He). Это возможно благодаря огромному давлению и высокой температуре, присущим ядру, которые, по оценкам, эквивалентны 250 миллиардам атмосфер (25,33 триллиона кПа) и 15,7 миллионам градусов по Цельсию, соответственно.

Конечным результатом является слияние четырех протонов (молекул водорода) в одну альфа-частицу — два протона и два нейтрона, связанных между собой в частицу, идентичной ядру гелия. В этом процессе высвобождается два позитрона, а также два нейтрино (что меняет два протона на нейтроны) и энергия.

Ядро — единственная часть Солнца, которая производит значительное количество тепла в процессе синтеза. По сути, 99% энергии, произведенной Солнцем, содержится в пределах 24% радиуса Солнца. К 30% радиуса синтез почти целиком прекращается. Остаток Солнца подогревается энергией, которая передается из ядра через последовательные слои, в конечном счете достигая солнечной фотосферы и утекая в космос в виде солнечного света или кинетической энергии частиц.

Зона лучистого переноса

Эта зона находится сразу после ядра и простирается на 0,7 солнечного радиуса. В этом слое нет тепловой конвекции, но солнечная материя очень горячая и достаточно плотная, чтобы тепловое излучение запросто передавало интенсивное тепло из ядра наружу. В основном она включает ионы водорода и гелия, испускающие фотоны, которые проходят короткое расстояние и поглощаются другими ионами.

Чтобы не пропустить ничего интересного из мира высоких технологий, подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram. Там вы узнаете много нового.

Температура этого слоя пониже, примерно от 7 миллионов градусов ближе к ядру до 2 миллионов градусов на границе конвективной зоны. Плотность тоже падает в сто раз с 20 г/см³ ближе к ядру до 0,2 г/см³ у верхней границы.

Конвективная зона

Это внешний слой Солнца, на долю которого приходится все, что выходит за рамки 70% внутреннего радиуса Солнца (и уходит примерно на 200 000 километров ниже поверхности). Здесь температура ниже, чем в радиационной зоне, и тяжелые атомы не полностью ионизированы. В результате радиационный перенос тепла проходит менее эффективно, и плотность плазмы достаточно низка, чтобы позволить появляться конвективным потокам.

Из-за этого поднимающиеся тепловые ячейки переносят большую часть тепла наружу к фотосфере Солнца. После тог, как эти ячейки поднимаются чуть ниже фотосферической поверхности, их материал охлаждается, а плотность увеличивается. Это приводит к тому, что они опускаются к основанию конвективной зоны снова — где забирают еще тепло и продолжают конвективный цикл.

На поверхности Солнца температура падает до примерно 5700 градусов по Цельсию. Турбулентная конвекция этого слоя Солнца также вызывает эффект, который вырабатывает магнитные северный и южный полюса по всей поверхности Солнца.

Именно в этом слое также появляются солнечные пятна, которые кажутся темными по сравнению с окружающей область. Эти пятна соответствуют концентрациям потоков магнитного поля, которые осуществляют конвекцию и приводят к падению температуры на поверхности по сравнению с окружающим материалом.

Фотосфера

Наконец, есть фотосфера, видимая поверхность Солнца. Именно здесь солнечный свет и тепло, излученные и поднятые на поверхность, распространяются в космос. Температуры в этом слое варьируются между 4500 и 6000 градусами. Поскольку верхняя часть фотосферы холоднее нижней, Солнце кажется ярче в центре и темнее по бокам: это явление известно как затемнение лимба.

Толщина фотосферы — сотни километров, именно в этой области Солнце становится непрозрачным для видимого света. Причина этого в уменьшении количества отрицательно заряженных ионов водорода (H-), которые с легкостью поглощают видимый свет. И наоборот, видимый свет, который мы видим, рождается в процессе реакции электронов с атомами водорода с образованием ионов H-.

Подписывайтесь на наш канал в Яндекс Дзен. Там можно найти много всего интересного, чего нет даже на нашем сайте.

Энергия, испускаемая фотосферой, распространяется в космосе и достигает атмосферы Земли и других планет Солнечной системы. Здесь, на Земле, верхний слой атмосферы (озоновый слой) фильтрует большую часть ультрафиолетового излучения Солнца, но пропускает часть на поверхность. Затем эта энергия поглощается воздухом и земной корой, согревает нашу планету и обеспечивает организмы источником энергии.

Солнце находится в центре биологических и химических процессов на Земле. Без него жизненный цикл растений и животных закончился бы, циркадные ритмы всех земных существ были бы сорваны, и жизнь на Земле перестала бы существовать. Важность Солнца была признана еще в доисторические времена, и многие культуры рассматривали его как божество (и зачастую помещали его в качестве главного божества в свои пантеоны).

Однако только в последние несколько столетий мы начали понимать процессы, которые питают Солнце. Благодаря постоянным исследованиям физиков, астрономов и биологов, мы теперь можем понять, как Солнце производит энергию и как она проходит через нашу Солнечную систему. Изучение известной Вселенной с ее разнообразием звездных систем и экзопланет также помогает нам провести аналогию с другими типами звезд.

Читайте также: