Внутреннее строение солнца и источники энергии солнца кратко
Обновлено: 02.07.2024
Ежесекундно Солнце теряет около 4,3 млн. тонн массы на излучение. В год это составляет 1,4·10 14 тонн. Но Солнце очень велико: 1 % своей массы оно потеряло бы на излучение за 150 млрд. лет. И на протяжении миллиардов лет Солнце излучает огромную энергию.
Согласно современным представлениям, на Солнце происходят термоядерные реакции, сопровождающиеся огромным выделением энергии. В ходе этих реакций при очень высоких температурах одни химические элементы превращаются в другие.
В недрах Солнца в виде отдельных протонов находится сильно ионизованный водород. Скорость протонов в условиях высоких температур настолько велика, что они сближаются, преодолевая электрические силы отталкивания. На очень близких расстояниях вступают в действие мощные ядерные реакции, в ходе которых происходит синтез новых химических элементов. Фактически внутри Солнца водород превращается в гелий. Это превращение описывается протон-протонным циклом – очень медленной реакцией (характерное время 7,9∙10 9 лет). Ее суть состоит в том, что из четырех протонов получается ядро гелия. При этом выделяются пара позитронов и пара нейтрино, а также 26,7 МэВ энергии. Рассмотрим цепочку протон-протонного цикла. На первом этапе слияние двух протонов сопровождается образованием дейтерия (ядра тяжелого водорода) и испусканием позитрона и нейтрино:
далее дейтерий сам вступает во взаимодействие с протоном, получается ядро легкого изотопа гелия и выделяется гамма-квант:
после чего слияние двух ядер легкого гелия приводит к образованию ядра гелия и двух протонов:
В ходе такой реакции выделяется огромное количество энергии. Воспользовавшись законом взаимосвязи массы и энергии E = mc 2 , можно посчитать, что при сгорании 1 г водорода выделяется приблизительно 6,3·10 11 Дж энергии.
Каждую секунду Солнце перерабатывает около 600 миллионов тонн водорода. Запасов ядерного топлива хватит еще на пять миллиардов лет, после чего оно постепенно превратится в белый карлик.
Точные расчеты, учитывающие рост плотности и температуры к центру, показывают, что в центре Солнца плотность газа составляет около 1,5*10 5 кг/м 3 (в 13 раз больше, чем у свинца!), давление — около 2 • 10 18 Па, а температура — около 15000000 К.
При такой температуре ядра атомов водорода (протоны) имеют очень высокие скорости (сотни километров в секунду) и могут сталкиваться друг с другом, несмотря на действие электростатической силы отталкивания. Некоторые столкновения завершаются ядерными реакциями, при которых из водорода образуется гелий и выделяется большое количество теплоты.
Масса ядра водорода составляет 1,0073 атомных единиц массы, масса ядра гелия 4.0015 а.е.м. При образовании одного ядра гелия путем слияния четырех ядер водорода дефект массы составляет ΔM = 0.0277 а.е.м., что соответствует высвободившейся энергии
4,0015 – 4*1,0073 = 0,0277
ΔE = c 2 * ΔM = 4,1·10 -5 эрг.
Эти реакции являются источником энергии Солнца на современном этапе его эволюции. В результате количество гелия в центральной области Солнца постепенно увеличивается, а водорода — уменьшается.
Если считать, что Солнце состоит только из водорода и в результате ядерной реакции 4p + → 4He происходит полное сгорание водорода и превращение его в гелий, полная выделившаяся при этом энергия составляет Eядер = 1.3·1052 эрг. Учитывая светимость Солнца (L = 4·10 33 эрг/с), получим, что при современном темпе сгорания водорода за счет ядерного источника Солнце способно излучать 100 млрд лет
(Tядер) = 1,3·10 52 эрг/ 4·10 33 эрг/c ≈ 3·10 18 с = 10 11 лет.
На самом деле, горение водорода с образованием гелия происходит в ограниченной центральной области Солнца. В результате потери энергии на излучение ежесекундно масса Солнца уменьшается на 4,3 млн тонн.
Рис.66. Внутреннее строение Солнца.
Солнечные пятна — тёмные области на Солнце, температура которых понижена примерно на 1500К по сравнению с окружающими участками фотосферы. Наблюдаются на диске Солнца (с помощью оптических приборов, а в случае крупных пятен — и невооружённым глазом) в виде тёмных пятен. Солнечные пятна являются областями выхода в фотосферу сильных магнитных полей. Потемнение фотосферы в пятнах обусловлено снижением потока переноса тепловой энергии в этих областях. Наблюдая солнечные пятна в телескоп, Галилей заметил, что они перемещаются по видимому диску Солнца. На этом основании он сделал вывод, что Солнце вращается вокруг своей оси. Количество пятен на Солнце — один из главных показателей солнечной магнитной активности.
Самая большая группа солнечных пятен за всю историю наблюдений возникла в апреле 1947 года в южном полушарии Солнца. Её максимальная длина составляла
300 000 км, максимальная ширина — 145 000 км, а максимальная площадь была примерно в 36 раз больше площади поверхности Земли. Группа была легко видна невооружённым глазом в предзакатные часы. Согласно каталога Пулковской обсерватории, эта группа (№ 87 за 1947 год) проходила по видимой с Земли полусфере Солнца с 31 марта по 14 апреля 1947 года, причем количество пятен в группе достигало 172.
Рис.67. Солнечная корона и солнечные пятна.
В короне наблюдаются еще более грандиозные по размерам активные образования — протуберанцы. Они представляют собой исключительно разнообразные по форме и характеру своего движения облака более плотных газов по сравнению с веществом короны. Форма протуберанцев и их движение связаны с магнитными полями, проникающими из фотосферы в корону.
Солнце — ближайшая к Земле звезда, которая своим теплом обеспечивает существование жизни на нашей планете. Откуда берется эта огромная энергия? Познакомимся со внутренним строением и источником энергии Солнца.
Солнце как звезда главной последовательности
Как известно из курса физики в 11 классе, звезды образуются в результате гравитационного сжатия облаков межзвездного газа. Наиболее распространенным элементом во Вселенной является водород, поэтому Солнце, как и все остальные звезды, в момент образования состояло в основном из водорода.
Рис. 1. Распространенность элементов во Вселенной.
Рис. 2. Жизненный цикл Солнца.
Строение Солнца
Итак, Солнце — это огромный шар из водорода, образовавшийся в результате гравитационного сжатия. Температура на поверхности солнца — около 6000 К. Тело, нагретое до такой температуры, начинает светиться, причем максимум излучения приходится на желто-зеленую часть спектра.
Энергия, требующаяся для поддержания такой температуры, производится в центре Солнца в результате термоядерных реакций. В настоящее время построена достаточно точная модель Солнца, и расчеты показывают, что температура в его центре достигает $1.5×10^7K$, а плотность составляет $1.5×10^5$ килограмм на кубический метр (средняя плотность Солнца в сто раз меньше). В таких условиях ядра водорода сливаются в ядра гелия. Поэтому в центре Солнца со временем процент гелия увеличивается.
По мере удаления от центра плотность и температура падают, и на расстоянии приблизительно 0,3 радиуса Солнца их уже не хватает для поддержания термоядерной реакции. Эта величина и принята за размер солнечного ядра.
Вся энергия, выработанная в ядре, переносится к поверхности Солнца. Происходить это может двумя способами: путем излучения и путем конвекции (перемешивания слоев газа различной температуры).
Внутреннее строение Солнца таково, что в зоне близко к ядру вещество имеет слишком большую плотность, и перемешивание здесь затруднено. Поэтому на расстояниях 0,3–0,7 солнечного радиуса энергия переносится в основном излучением, а далее — в основном конвекцией.
Рис. 3. Внутреннее строение Солнца.
То есть кванты энергии, выделившиеся в ядре, начинают движение к поверхности Солнца. Они многократно сталкиваются с ядрами водорода и электронами, поглощаются и снова переизлучаются, доходят до зоны конвективного переноса, где энергия в основном переносится уже тепловым движением ядер и электронов, и, наконец, на поверхности энергия снова выделяется в виде излучения.
Весь путь квантов энергии от выделения в ядре до излучения на поверхности занимает в среднем 10 млн лет. Поэтому энергия, которая греет Землю сейчас, была выработана в ядре Солнца еще тогда, когда не существовало не только человека, но даже человекообразных обезьян: первые из них появились 6,5 млн лет назад.
Что мы узнали?
Солнце — это огромный шар, состоящий из водорода. В центре температура и давление настолько высоки, что там идут термоядерные реакции превращения водорода в гелий. Энергия, выделившаяся при этом, постепенно выходит на поверхность Солнца, сперва в основном с помощью излучения атомов водорода, а ближе к поверхности — путем конвекции.
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.
Солнце играет исключительную роль в жизни Земли. Весь органический мир нашей планеты обязан Солнцу своим существованием. Солнце – это не только источник света и тепла, но и первоначальный источник многих других видов энергии (энергии нефти, угля, воды, ветра).
С момента появления на земле человек начал использовать энергию солнца. По археологическим данным известно, что для жилья предпочтение отдавали тихим, закрытым от холодных ветров и открытых солнечным лучам местам.
Пожалуй, первой известной гелиосистемой можно считать статую Аменхотепа III, относящуюся к XV веку до н.э. Внутри статуи располагалась система воздушных и водяных камер, которые под солнечными лучами приводили в движение спрятанный музыкальный инструмент. В Древней Греции поклонялись Гелиосу. Имя этого бога сегодня легло в основу многих терминов, связанных с солнечной энергетикой.
Проблема обеспечения электрической энергией многих отраслей мирового хозяйства, постоянно растущих потребностей населения Земли становится сейчас все более насущной.
Общие сведения о Солнце
Солнце – центральное тело Солнечной системы, раскаленный плазменный шар, типичная звезда-карлик спектрального класса G2.
Характеристики Солнца
- Масса MS~2*1023 кг
- RS~629 тыс. км
- V= 1,41*1027 м3, что почти в 1300 тыс. раз превосходит объем Земли,
- средняя плотность 1,41*103 кг/м3,
- светимость LS=3,86*1023 кВт,
- эффективная температура поверхности (фотосфера) 5780 К,
- период вращения (синодический) изменяется от 27 сут на экваторе до 32 сут. у полюсов,
- ускорение свободного падения 274 м/с2 (при таком огромном ускорении силы тяжести человек массой 60 кг весил бы более 1,5 т.).
Строение Солнца
В центральной части Солнца находится источник его энергии, или, говоря образным языком, та “печка”, которая нагревает его и не даёт ему остыть. Эта область называется ядром (см. рис.1). В ядре, где температура достигает 15 МК, происходит выделение энергии. Ядро имеет радиус не более четверти общего радиуса Солнца. Однако в его объёме сосредоточена половина солнечной массы и выделяется практически вся энергия, которая поддерживает свечение Солнца.
Сразу вокруг ядра начинается зона лучистой передачи энергии, где она распространяется через поглощение и излучение веществом порций света – квантов. Кванту требуется очень много времени, чтобы просочиться через плотное солнечное вещество наружу. Так что если бы печка внутри Солнца вдруг погасла, то мы узнали бы об этом только миллионы лет спустя.
На своём пути через внутренние солнечные слои поток энергии встречает такую область, где непрозрачность газа сильно возрастает. Это конвективная зона Солнца. Здесь энергия передаётся уже не излучением, а конвекцией. Конвективная зона начинается примерно на расстоянии 0,7 радиуса от центра и простирается практически до самой видимой поверхности Солнца (фотосферы), где перенос основного потока энергии вновь становится лучистым.
Фотосфера – это излучающая поверхность Солнца, которая имеет зернистую структуру, называемую грануляцией. Каждое такое зерно размером почти с Германию и представляет собой поднявшийся на поверхность поток горячего вещества. На фотосфере часто можно увидеть относительно небольшие темные области - солнечные пятна. Они на 1500˚С холоднее окружающей их фотосферы, температура которой достигает 5800˚С. Из-за разницы температур с фотосферой эти пятна и кажутся при наблюдении в телескоп совершенно черными. Над фотосферой расположен следующий, более разряженный слой, называемый хромосферой, то есть окрашенной сферой. Такое название хромосфера получила благодаря своему красному цвету. И, наконец, над ней находится очень горячая, но и чрезвычайно разреженная часть солнечной атмосферы - корона.
Солнце – источник энергии
Наше Солнце – это огромный светящийся газовый шар, внутри которого протекают сложные процессы и в результате непрерывно выделяется энергия. Энергия Солнца является источником жизни на нашей планете. Солнце нагревает атмосферу и поверхность Земли. Благодаря солнечной энергии дуют ветры, осуществляется круговорот воды в природе, нагреваются моря и океаны, развиваются растения, животные имеют корм. Именно благодаря солнечному излучению на Земле существуют ископаемые виды топлива. Солнечная энергия может быть преобразована в теплоту или холод, движущую силу и электричество.
Солнце испаряет воду с океанов, морей, с земной поверхности. Оно превращает эту влагу в водяные капли, образуя облака и туманы, а затем заставляет её снова падать на Землю в виде дождя, снега, росы или инея, создавая, таким образом, гигантский круговорот влаги в атмосфере.
Солнечная энергия является источником общей циркуляции атмосферы и циркуляции воды в океанах. Она как бы создаёт гигантскую систему водяного и воздушного отопления нашей планеты, перераспределяя тепло по земной поверхности.
Солнечный свет, попадая на растения, вызывает у него процесс фотосинтеза, определяет рост и развитие растений; попадая на почву, он превращается в тепло, нагревает её, формирует почвенный климат, давая тем самым жизненную силу находящимся в почве семенам растений, микроорганизмам и населяющим её живым существам, которые без этого тепла пребывали бы в состоянии анабиоза (спячки).
Солнце излучает огромное количество энергии - приблизительно 1,1x1020 кВт·ч в секунду. Киловатт·час - это количество энергии, необходимое для работы лампочки накаливания мощностью 100 ватт в течение 10 часов. Внешние слои атмосферы Земли перехватывают приблизительно одну миллионную часть энергии, излучаемой Солнцем, или приблизительно 1500 квадрильонов (1,5 x 1018) кВт·ч ежегодно. Однако только 47% всей энергии, или приблизительно 700 квадрильонов (7 x 1017) кВт·ч, достигает поверхности Земли. Остальные 30% солнечной энергии отражается обратно в космос, примерно 23% испаряют воду, 1% энергии приходится на волны и течения и 0,01% - на процесс образования фотосинтеза в природе.
Исследование солнечной энергии
Если ядра атомов лёгких элементов сольются в ядро атома более тяжелого элемента, то масса нового окажется меньше, чем суммарная масса тех, из которых оно образовалось. Остаток массы превращается в энергию, которую уносят частицы, освободившиеся в ходе реакции. Эта энергия почти полностью переходит в тепло. Такая реакция синтеза атомных ядер может происходить только при очень высоком давлении и температуре свыше 10 млн. градусов. Поэтому она и называется термоядерной.
Потенциал солнечной энергии
Солнце обеспечивает нас в 10 000 раз большим количеством бесплатной энергии, чем фактически используется во всем мире. Только на мировом коммерческом рынке покупается и продается чуть меньше 85 триллионов (8,5 x 10 13 ) кВт·ч энергии в год. Поскольку невозможно проследить за всем процессом в целом, нельзя с уверенностью сказать, сколько некоммерческой энергии потребляют люди (например, сколько древесины и удобрения собирается и сжигается, какое количество воды используется для производства механической или электрической энергии). Некоторые эксперты считают, что такая некоммерческая энергия составляет одну пятую часть всей используемой энергии. Но даже если это так, то общая энергия, потребляемая человечеством в течение года, составляет только приблизительно одну семитысячную часть солнечной энергии, попадающей на поверхность Земли в тот же период.
В развитых странах, например, в США, потребление энергии составляет примерно 25 триллионов (2.5 x 10 13 ) кВт·ч в год, что соответствует более чем 260 кВт·ч на человека в день. Данный показатель является эквивалентом ежедневной работы более чем ста лампочек накаливания мощностью 100 Вт в течение целого дня. Среднестатистический гражданин США потребляет в 33 раза больше энергии, чем житель Индии, в 13 раз больше, чем китаец, в два с половиной раза больше, чем японец и вдвое больше, чем швед.
Этот урок будет посвящен более детальному изучению Солнца. Мы рассмотрим, что происходит в недрах нашей звезды, оценим внутренние параметры Солнца, а также его возраст и время жизни.
В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам
Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобретя в каталоге.
Получите невероятные возможности
Конспект урока "Источники энергии и внутреннее строение Солнца"
Там огненны валы стремятся
и не находят берегов,
там вихри пламенны крутятся,
борющись множество веков;
там камни как вода кипят,
горящи там дожди шумят
М.В. Ломоносов
Солнце светит уже более четырех с половиной миллиардов лет, непрерывно выделяя колоссальное количество энергии. Но откуда берётся эта энергия?
Прежде чем начать изучение новой темы, повторим общие сведения о Солнце. Солнце является звездой нашей системы и имеет массу, превосходящую земную примерно в 333 тысячи раз, а радиус Солнца приблизительно в 109 раз больше радиуса Земли.Светимость Солнца, то есть, мощность излучения составляет 3,85 умножить на 10 в двадцать шестой ватт.
Начали изучать атмосферу Солнца и познакомились с её самым плотным и глубоким слоем – фотосферой. Средняя температура фотосферы составляет примерно 6000 К. Фотосфера имеет зернистую структуру – это получило название грануляции. Размеры гранул могут достигать тысяч километров, и эти гранулы непрерывно находятся в движении.
Солнечной активностью называют целый комплекс явлений и процессов, происходящих в солнечной атмосфере в результате образования и распада сильнейших магнитных полей. Солнечная активность характеризуется изменением количества пятен на Солнце, изменением количества протуберанцев, изменением формы солнечной короны, а также изменением количества и мощности вспышек на Солнце.
Как говорилось ранее, фотосфера не пропускает никакие виды излучения из более глубоких слоев Солнца, поэтому о внутреннем строении Солнца можно узнать только с помощью теоретического анализа, то есть использования общих законов физики и опираясь на уже известные характеристики Солнца.
Солнце не расширяется и не сжимается – значит, гравитационному сжатию препятствует внутреннее давление газа. Известно, что давление – это сила на единицу площади. Но давление можно представить и иначе – как объемную плотность энергии.
Именно этим и воспользуемся для расчетов. Энергия гравитационного поля вычисляется по формуле
Эту формулу можно вывести, пользуясь методом размерности, да и через космические скорости – тоже. Чтобы найти давление (то есть плотность энергии), необходимо энергию разделить на объём
Итак, расчеты говорят о том, что давление внутри Солнца составляет порядка
Напомним, что Солнце – это газовый шар, поэтому, можно применить уравнение состояния идеального газа для оценки температуры (конечно, это немного грубый расчет, но он даст представление о порядке температуры в центре Солнца).
Для расчета молярной массы можно опираться на молярную массу водорода и гелия и на процентное соотношение гелия и водорода в составе Солнца. При достаточно точных вычислениях можно убедиться, что для поддержания гидростатического равновесия температура в центре Солнца должна быть примерно 15 миллионов К. Нетрудно определить и плотность вещества в центре – она составляет почти 150 тысяч кг/м 3 (а это более чем в сто раз превышает среднюю плотность Солнца). Это говорит о том, что у Солнца тоже есть ядро. Итак, в центре Солнца находится ядро, в котором протекают термоядерные реакции. Эти реакции получили название водородного цикла (т.к. в результате термоядерного синтеза из водорода образуется гелий и частично воспроизводится водород).
Размеры ядра составляют примерно 30% от радиуса Солнца. Температура за пределами ядра недостаточно высока для протекания термоядерных реакций. Ведь для протекания описанных реакций необходимо слияние ядер водорода, а это возможно только при очень высоких температурах. Дело в том, что для слияния ядер нужно преодолеть кулоновские силы отталкивания, а это возможно только в том случае, если частицы будут обладать огромной кинетической энергией. Итак, два протона вступают в ядерную реакцию, в результате чего образуется тяжелый водород (дейтерий) и испускается позитрон и нейтрино. При этом выделяется энергия, равная 1,4 МэВ. Ядро дейтерия вступает в реакцию с еще одним протоном, образуя . Данная реакция сопровождается испусканием g-кванта и выделением 5,5 МэВ. В результате тех же реакций, другая пара протонов также может образовать ядро . При слиянии двух ядер образуется ядро . Эта реакция сопровождается выделением энергии равной 12,85 МэВ, а также образованием двух ядер водорода. Таким образом, водород частично воспроизводится. Известно, что в результате термоядерных реакций выделяется огромное количество энергии. Эта энергия переносится к поверхности Солнца в два этапа: через зону лучистого переноса и конвективную зону. От ядра до расстояний 0,6-0,7 радиуса Солнца энергия переносится посредством различных излучений. Далее, к поверхности Солнца энергия переносится с помощью конвекции (об этом мы говорили, обсуждая время жизни гранул фотосферы). То есть, условно говоря, более горячие потоки плазмы перемещаются ближе к поверхности Солнца, а менее горячие, погружаются в более глубокие слои конвективной зоны.
Конечно, можно сказать, что чисто теоретические представления о внутреннем строении Солнца могут быть не совсем правильные, и нужно каким-то образом произвести наблюдения. Такие наблюдения действительно существуют, и это заслуга физики элементарных частиц. Если обратить внимание, то помимо излучения в процессе термоядерного синтеза гелия рождаются нейтрино. Нейтрино, в отличие от излучения практически не взаимодействуют с веществом, и уже через 2 секунды покидают поверхность Солнца. Нейтрино двигаются со скоростями, близкими к скорости света, поэтому менее чем через восемь с половиной минут они уже достигают Земли. Для наблюдений и регистрирования солнечных нейтрино был построен специальный нейтринный телескоп. Измеряя энергию тех или иных нейтрино, можно понять, в какой термоядерной реакции оно родилось и, таким образом, подтвердить или опровергнуть теоретические предположения.
Поэтому, можно утверждать, что представления о строении Солнца хорошо подтверждаются экспериментально. Общая и очень упрощенная схема работы нейтринного телескопа такова: в огромном резервуаре содержится приблизительно 50 тысяч тонн очень чистой воды. На поверхности резервуара находится более 11000 фотоумножителей, которые регистрируют появляющиеся импульсы голубого цвета – свидетельство столкновения нейтрино с молекулой воды. В воде находится множество калибровочных устройств, компьютеров и другой электроники, помогающей проанализировать полученные данные.
Итак, источником энергии Солнца (да и других звезд) является ядерная энергия, которая выделяется при протекании термоядерных реакций в ядре Солнца. При водородном цикле из четырех ядер атомов водорода (то есть протонов) образуется ядро атома гелия. При этом испускается два позитрона и два нейтрино, и эта реакция сопровождается выделением энергии. Было установлено, что из одного килограмма водорода образуется 0,99 килограмма гелия. То есть, 0,01 килограмма – это дефект масс. Таким образом, при синтезе каждого килограмма водорода в гелий выделяется энергия примерно равная 900 ТДж. Теперь рассчитаем, насколько хватит энергии Солнца, учитывая то, что Солнце состоит, по меньшей мере, на 70% из водорода, а масса ядра составляет примерно 10% от общей массы. Напомним, что светимость – это мощность излучения, то есть, энергия, выделяемая Солнцем ежесекундно. Если разделить запас энергии на светимость, то получим примерное время жизни Солнца.
Оно составит порядка десяти миллиардов лет.
Основные выводы:
– В центре Солнца находится ядро, которое составляет примерно 10% от общей массы Солнца. В ядре протекают термоядерные реакции, в результате которых выделяется огромная энергия. Эта энергия переносится на поверхность Солнца через зону лучистого переноса и зону конвекции.
– Зона лучистого переноса насыщена радиоактивными излучениями (преимущественно рентгеновским и гамма-излучением), которые переносят энергию на расстояние около нуля целых семи десятых от радиуса Солнца.
– Дальнейший перенос энергии осуществляется конвективными потоками плазмы – это явление подтверждается грануляцией.
– В процессе термоядерных реакций на Солнце рождаются нейтрино, которые менее чем за восемь с половиной минут достигают Земли из-за того, что они почти не взаимодействуют с веществом.
– С помощью нейтринного телескопа ученые могут оценить процессы, происходящие внутри Солнца, а также его внутреннее строение.
– По современным представлениям, время жизни Солнца составляет приблизительно 10 миллиардов лет, в то время, как оно существует чуть более четырех с половиной миллиардов лет.
Читайте также: